Как подключить контроллер заряда li ion аккумулятора

15

Обзор возможностей и схема контроллера заряда tp4056

Литий-ионные аккумуляторы имеют массу достоинств, но требуют постоянного контроля при зарядке (да и во время разряда). Нарушение режима пополнения энергии может привести к выходу элемента питания из строя, а в худшем случае – к возгоранию и взрыву. Процесс зарядки должен происходить под управлением специальной электронной схемы, которую можно построить на базе контроллера заряда Li-ion аккумулятора TP4056.

Описание и сфера использования

Контроллер заряда представляет собой микросхему в корпусе SOP8, предназначенную для SMD-монтажа и имеющую 8 выводов (все выводы функциональны и могут быть задействованы при подключении). Основное предназначение микросхемы:

• контроль процесса зарядки Li-ion батарей стабильным током в пределах 1 А (устанавливается с помощью внешних элементов);
• прекращение подзаряда при достижении установленного порога напряжения;
• индикация состояния зарядки (в процессе/завершено);
• прерывание процесса при достижении верхнего уровня температуры.

Внешним сигналом микросхема может быть переведена в режим ожидания – заряд аккумулятора при этом прервется.

Алгоритм зарядки под управлением TP4056 выглядит так:

1. Если напряжение на клеммах заряжаемого аккумулятора ниже 2,9 вольт, активируется режим зарядки малым током (0,1 от заданного).
2. При уровне на клеммах в пределах от 2,9 до 4,1вольта зарядка производится установленным током.
3. При достижении напряжения 4,1 вольта батарея дозаряжается в режиме стабилизированного напряжения до 4,2 вольт, до достижения тока, равного 0,1 от заданного. После этого зарядка прекращается.

Если во время зарядки обнаружится повышенная температура банки, процесс прерывается.

Графики тока и напряжения при зарядке литий-ионного элемента током 1 А

Микросхема не требует подключения дополнительных силовых или активных элементов, и позволяет заряжать единичные литий-ионные ячейки, включая распространенные 18650, непосредственно от USB-порта.

Технические характеристики

Электрические характеристики микросхемы приводятся для напряжения питания 5 вольт и температуры окружающей среды +25 град.С:

• потребляемый ток (при Rпрог=1,2 кОм) – 150 мА;
• выходной уровень в режиме стабилизации напряжения – 4,2 В;
• пороговое напряжение – 2,9 вольт;
• ток зарядки при напряжении батареи ниже порогового (при Rпрог=1,2 кОм) – 130 мА.

Микросхема может длительно работать при коротком замыкании заряжаемой батареи. Диапазон рабочих температур – минус 40..+85 град. С, при пайке нельзя превышать уровень +145 град.С.

Напряжение питания батареи может меняться в пределах от 4 до 8 вольт DC.

Принципиальная схема TP4056

Производитель в datasheet не дает внутренней схемы TP4056. Упомянуто лишь, что она построена на полевых транзисторах (MOSFET) с P-каналом и не требует защиты в виде блокировочных диодов от отрицательного (втекающего от батареи) зарядного тока.

Варианты подключения и нюансы настройки

Перед подключением микросхемы надо разобраться с назначением ее выводов. Нумерация пинов идет от ключа против часовой стрелки (если смотреть сверху).

На нижней поверхности корпуса расположен теплоотвод, не соединенный ни с одним из выводов.

1. Temp. Сюда можно подключить вывод штатного датчика температуры, который встраивается в некоторые батареи. Нормальным режимом считается, если напряжение датчика лежит в пределах от 0,45 до 0,8 от напряжения питания. При выходе за эти пределы заряд блокируется.
2. Prog. Сюда подключается резистор, определяющий ток заряда (второй вывод резистора – на общий провод). Стандартное значение резистора – 1,2 кОм, при этом ток составит 1 А (максимальное значение).
3. GND. Общий вывод.
4. VCC. Напряжение источника питания. Он же является источником зарядного тока, поэтому должен быть рассчитан на полный ток заряда плюс небольшое потребление самой микросхемы.
5. BAT. Сюда подключается плюсовой вывод батареи. Минусовой подключается к общему проводу.
6. STDBY. Вывод с открытым стоком. Индикация дежурного режима (используется для опознавания окончания заряда). На выводе присутствует низкий уровень в процессе зарядки (подключен к нулевому проводу), а если зарядка не идет – вывод в состоянии высокого сопротивления.
7. CHRG. Индикация зарядки. Вывод с открытым стоком. Пока батарея заряжается, присутствует низкий уровень, в противном случае в состоянии высокого сопротивления.

Если заряд прекращен по повышению температуры батареи, или батарея отсутствует, или ее напряжение слишком низкое — оба светодиода будут погашены.

Типовое включение микросхемы указано в Datasheet. Питание подается через фильтр из резистора 0,4 Ома и конденсатора 10 мкФ (устанавливать не обязательно, но желательно для защиты от помех).

Типовое включение TP4056

К выводам 7 и 6 через токоограничивающие резисторы в 1 кОм подключены катоды светодиодов, индицирующих дежурный режим и режим зарядки. Для режима STDBY выбран LED с зеленым цветом свечения, для режима CHRG – с красным.

Цвет свечения светодиодов принципиального значения не имеет и на работоспособность схемы не влияет – можно устанавливать светоизлучающие элементы с любым цветом.

С помощью резисторов R1 и R2 на входе Temp создано смещение. Оно позволяет заряжать аккумуляторы, не подключая датчик температуры (например, при его отсутствии). Заряжаемая батарея подключается между выводами 5 (положительный вывод) и общим проводом (отрицательный вывод). Параллельно аккумулятору можно подключить аккумулятор емкостью 10 мкФ. При его установке при отсутствии батареи зеленый светодиод будет гореть постоянно, а красный вспыхивать с периодом 1..4 сек.

К выводу 2 подключен «программирующий» резистор. Он определяет ток заряда в режиме стабильного тока. Зависимость тока от сопротивления выглядит так:

Iзар=(1/Rпрог)*1200, где Rпрог – сопротивление «программирующего» резистора в килоомах, а Iзар – ток заряда в миллиамперах. Для стандартных номиналов резисторов соотношение тока и сопротивления приведено в таблице.

Более совершенное зарядное устройство можно получить, если дополнить TP4056 модулем защиты на DW01A. Для подключения дополнительно модуля не надо вносить изменения в базовую схему – схема на DW01A подключается к выводам контроллера (к микросхеме надо добавить два N-канальных полевых транзистора с изолированным затвором), а батарея подключается к выводам дополнительного участка.

Зарядное устройство с модулем защиты на DW01A

Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов

Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует. Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки — сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде — это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют защиту от глубокого разряда.

При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого зарядного устройства для литиевого аккумулятора.

Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:

И вот тоже они:

Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

DW01-Plus

Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.

Сама микросхема DW01 — шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.

Вывод 1 и 3 — это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 — датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.

Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.

Вся схема выглядит примерно вот так:

Правая микросхема с маркировкой 8205А — это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.

S-8241 Series

Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241.

Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.

AAT8660 Series

Решение от Advanced Analog Technology — AAT8660 Series.

Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).

FS326 Series

Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора — FS326.

В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, — от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.

LV51140T

Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T.

Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы — вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.

R5421N Series

Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки — порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).

Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:

SA57608

Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608.

Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:

SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме — порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).

LC05111CMT

Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor — контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT.

Решение интересно тем, что ключевые MOSFET'ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.

Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет

11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда — 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 — 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).

Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6×4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.

Контроллеры заряда и схемы защиты — в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда — это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV — постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу — при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (

4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

Шаг 6: Сборка, часть 1: прорезаем отверстия в корпусе

Для того, чтобы правильно уместить все электрокомпоненты в корпусе, в нем нужно прорезать отверстия:

1. Лезвием ножа отметьте на корпусе границы батарейного отсека (рис.1).
2. Горячим ножом прорежьте отверстие по сделанным меткам (рис.2 и 3).
3. После прорезания отверстия, корпус должен выглядеть как на рис.4.
4. Отметьте место, где будет находиться USB-разъем модуля TP4056 (рис.5 и 6).
5. Горячим ножом прорежьте в корпусе отверстие для USB-разъема (рис. 7).
6. Отметьте места на корпусе, где будут находиться диоды модуля TP4056 (рис. 8 и 9).
7. Горячим ножом прорежьте отверстия под диоды (рис. 10).
8. Таким же образом сделайте отверстия под разъем питания и выключатель (рис.11 и 12)

Разновидности

Литиевыми такие аккумуляторы называют из-за лития, используемого для переноса электрического заряда. Ион без проблем взаимодействует с кристаллическими решетками иных материалов, что приводит к образованию новых соединений. Виды литиевых АКБ:

Виды литиевых АКБ.

• Li-Ion. Это литий ионный аккумулятор для автомобиля, в основном электрокара или гибридной модели. Применяется как тяговая, а не стартерная батарея. За перенос заряда отвечают заряженные ионы лития. Ранее материалом пластин был литий, сегодня – графит;
• Li-Pol. Литий-полимерная АКБ, с полимерным, а не жидким электролитом, как у Li-Ion. Результат – выше эксплуатационные характеристики. Находит применение в электронике, электрокарах и т.д.;
• LiMO2. Катоды лития с содержанием кобальта. Маленькие размеры кобальтового иона Co3+ обеспечивают легкое перемещение литий-ионных катодов. Это дало возможность делать компактные батареи с высокой плотностью и энергоемкостью;
• LiCoO2 (LCO). Литий-кобальтовый оксид. Из-за малой механической устойчивости применяется для питания электроприборов;
• LiNiCoAlO2 (NCA). Литий-никель-кобальт-алюминий-оксид. Такое соединение дает высокую плотность и мощность. Применяется как АКБ 12 Вольт для авто;
• LiNiMnCoO2 (NMC). Еще прочнее и выносливее, чем NCA. Применяется для электромобилей, причем в разных модификациях. Принцип таков: выше доля никеля – больше энергии;
• LiFePO4 (LFP). Литий-железо-фосфат. Прочный вид, но не такой плотный, как LiMO2. Широко применяется в Китае для городских электромобилей;
• LiMn2O4 (LMO). Литий-никель-марганец оксид. Ранее применялся в электромобилях.

Формулы более понятны химикам, но логично, что с разными материалами меняются и свойства источника питания. Наиболее перспективные феррофосфатные модели (LFP). Они долговечны, хорошо сохраняют энергоемкость, и характерны стабильным напряжением по ходу разрядки. К слову, одна ячейка дает 3.2 В, и если соединить четыре, получится 12.8 В – то, что нужно для питания бортовой сети авто.

Схема подключения TP4056

Подключение к зарядке через стандартный разъём microUSB (или miniUSB) или через дублирующие контакты «+» и «—«. Аккумулятор (без встроенной защиты разряда) подключается к контактам «B+» и «B-«. Нагрузка подключается к контактам «OUT+» и «OUT-» (при зарядке батареи нагрузку желательно отключать, если она не рассчитана на напряжение 4.2 В).

Если перепутать полярность питания то микросхема очень сильно греется и умирает, если перепутать полярность аккумулятора то опять TP4056 греется и через некоторое время умирает. Подавать на вход больше 8 вольт тоже не стоит. Оптимальное напряжение питания 5 В, хотя можно подавать примерно от 4.5 до 8 В. Чем больше напряжения питания, тем больше будет греться TP4056 поскольку напряжение преобразовывается линейно.

Зарядка литиевых аккумуляторов китайскими модулями

Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.

2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта.

Чем измерять емкость аккумуляторов?

Мы уже привыкли в мнению, что для замера нужен Аймакс b6, а он стоит денег и для большинства радиолюбителей избыточен. Но есть способ замерить емкость 1-2-3баночного аккумулятора с достаточной точностью и дешево – простой USB-тестер: http://ali.onl/z3E У меня было два тестера – синий и белый с проводом.

Белый завышал ток на 15% (вместе с ним и емкость) а синий незначительно занижает. Может зависит от экземпляра, но я все же рекомендую синий хотя бы потому, что у него есть таймер времени заряда/разряда. А у белого только бесполезные ячейки памяти, которые не нужны.

Тестер начинает работать примерно от 2,8в и вплоть до 10-15ти без проблем, значит его можно питать напрямую от литиевого аккумулятора и он будет считать протекающий ток и емкость. Остается завести себе пару юсб-штекеров с выходом на голые провода или крокодилы, подключить аккумулятор на вход (обязательно через защиту!) а на выход поставить нагрузку.

• Для надежности можете в цепь разряда подключить мультиметр в режиме амперметра и сравнить реальный ток в показанием тестера, чтобы на будущее знать есть ли у него отклонение и сколько.
• С такой поправкой в голове точность будет та же что у Аймакса. Когда аккумулятор разрядится до отсечки и защита его отключит, тестер запомнит результат. Останется включить его любым другим источником питания чтоб посмотреть.
• Мой экземпляр тестера дал мне результаты емкости, которые полностью до 10-20mah совпали с исследованиями серьезного дядьки, который использовал для этой же марки аккумулятора технику на десятки тысяч рублей.

А еще фотографий такого процесса хватило в качестве доказательства для возврата стоимости аккумулятора 2s с нечестной емкостью =)

Немного нестандартных модулей для заряда аккумуляторов: Обновленная плата для заряда литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов (нужно запаять перемычку чтобы включить режим) током 1-2А (также нужно подбирать резисторы для настройки, но модуль реально тянет зарядный ток 2А) и напряжением питания до 9в.

Модуль имеет импульсную схему, поэтому мало греется, имеет высокий КПД, что может быть важно например при заряде аккумулятора от солнечных батарей. модуль для заряда последовательной сборки 2s (нужно запаять перемычку), также имеет импульсную схему (почти не греется), на вход нужно подавать напряжение от 9ти до 15-19в

Судя по описанию продавца зарядный ток также можно поднять до 2А. http://ali.onl/DlZ модуль заряда последовательной сборки 2s от юсб. На вход берет 3-5,5в, на выходе заряжает аккумулятор до 8,4в током 1А (соотвественно нужна юсб-зарядка 2А).

Контроллер заряда Li-ion аккумулятора своими руками

Контроллер — электронная плата которая по характеристикам поддерживает рабочее напряжение и ток разряда. То есть напряжение контроллера должно отвечать характеристике прибора. Токовая нагрузка подбирается в 2 раза ниже предельной. Значит, для 18650 ток должен быть 12-15 А, для 26650 – 30-40 А.

Под контроллером заряда-разряда понимают схему защиты от слишком глубокого разряда, он же препятствует перезаряду банок выше 4,2 В. Но это только защита. Настоящий контроллер установлен в ЗУ, рассчитан на зарядку в 2 этапа с последующим отключением аккумулятора. Зарядное устройство это не блок питания. Назначение этого инструмента стабилизировать ток на первом этапе процесса, при этом выходное напряжение зависит от тока нагрузки.

В конструкции предусмотрены резисторы для регулирования выходного напряжения, индикации окончания заряда, порога ограничения выходного тока. Микросхема LM2596 выступает в виде контроллера ШИМ, компаратор LM358 поддерживает параметры тока, управляет индикацией. Стабилизатор 78L05 питает компаратор и поддерживает напряжение.

Для того, чтобы отключить аккумулятор именно в момент полного набора заряда, необходимо доработать схему. Такая доработка обусловит отключение зарядки при достижении полного заряда.

Защитная плата MBS отключит аккумулятор при достижении полного заряда. Но она срабатывает с некоторым опозданием. Поэтому батарея может получить небольшой перезаряд, сокращающий срок службы дорогого прибора.

Заголовок по умолчанию

Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора включая этап предзаряда схематично изображены на этом графике: Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое.
Правило 1. Если Вы авторизуетесь на сайте в качестве пользователя, Вы будете получать уведомления о новых материалах на сайте.
И что делать бедному радиолюбителю?
Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока. Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны: Если говорить об , то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее.
Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки.
Мощность резистора R1 — не менее 1 Ватт.
Ток заряда составляет — мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP зависит от производителя. А вот параллельно соединять аккумуляторы разной емкости допустимо.
Последовательное подключение аккумуляторов

Читайте дополнительно: Пуэ кабельные линии до 1 кв

Параллельное и последовательное подключение TP4056

Платы TP4056 удобно встраивать для заряда литиевых аккумуляторов в различные самодельные устройства. Но такие устройства не всегда ограничивается только одним аккумулятором на 3.7 В, иногда требуется подключать целые аккумуляторные сборки на более высокое напряжение. При этом для заряда хочется использовать дешевые платы TP4056. Если посмотреть характеристики такой зарядной платы с защитой, то там четко написано, что она предназначена для заряда аккумулятора 3.7 В, т.е. представляет собой плату BMS 1S.

Параллельное соединение плат TP4056

Такие платы можно соединять параллельно и это приведет к увеличению тока заряда, а в случае соединения плат с защитой и к увеличению контролируемого тока разряда. При параллельном соединении TP4056 без защиты нужно соединять вместе одинаковые выводы плат. Такое соединение приведет к увеличению тока заряда кратно количеству соединенных плат, т.е. соединив таким способом две платы, мы получим ток заряда 2 А.

Платы с защитой подключаются практически также. Отличие заключается в том, что у них имеются контакты для подключения аккумуляторов и для подключения нагрузки. При параллельном соединении модулей TP4056 с защитой соединяются вводные контакты, контакты для подключения нагрузки, и контакты для подключения аккумуляторов. Такое соединение приводит не только к увеличению тока заряда, но и к увеличению тока разряда, кратно количеству установленных плат.

Последовательное соединение плат TP4056

При сборке литиевых аккумуляторных батарей на 8.4 В, 12.6 В и большее напряжение многие надеются использовать модули TP4056 с защитой для их контроля и зарядки напряжением 5 В. При последовательном соединении таких плат с защитой, действительно можно получить напряжение больше, чем на одном аккумуляторе, и при этом каждый аккумулятор будет защищен. Разъемы плат для входного напряжения при таком способе надеются соединять, как при параллельном соединении, т.е. объединять вместе все плюсовые вводы и соединять между собой все минусовые вводы. Но как только они будут соединены, модули будут работать неадекватно. Нормальная их работа возможна при условии, что платы не будут связаны между собой, кроме как выводными контактами при последовательном соединении.

Получается, что при последовательном соединении модулей TP4056 для их нормальной работы каждому таком модулю требуется отдельный источник питания для заряда конкретного аккумулятора, т.е. блоки питания должны быть с гальванической развязкой.

Для того, чтобы подключить все последовательно соединенные платы TP4056 к одному источнику питания и заряжать аккумуляторы, необходимо внедрить некоторые изменения в схему подключения. Нужно установить переключатель, который в момент переключения будет менять схему подключения с последовательной на параллельную. Только такой способ позволит заряжать все аккумуляторы в сборке от одного источника питания. Так для трех аккумуляторов, подключенных к последовательно соединенным платам TP4056 с защитой, потребуется тумблер с шестью выводами, т.е. с двумя перекидными контактами. Также это можно реализовать с помощью реле, которое автоматически будет переключать в режим заряда при подаче питающего напряжения.

В начальном положении при последовательном соединении трех аккумуляторов на выходе сборки будет 12.6 В при полностью заряженных аккумуляторах. После переключения тумблера связь между выводами плат разрывается, а вводные контакты плат соединяются последовательно. Теперь можно будет заряжать все аккумуляторы от одного источника 5 В. Каждый аккумулятор будет заряжаться независимо от других.

Начало эксплуатации

Перед приобретением любого нового устройства, лучше сразу в магазине проверить состояние и работоспособность аккумуляторной батареи. Если оборудование не включается, то лучше отказаться от покупки, ведь есть вероятность, что товар долгое время пролежал на складе, из-за чего ухудшилось состояние батареи.

Аккумулятор Bailong BL-18650

Следует также обратить внимание на дату изготовления аккумулятора и его начальную емкость. При включении устройства заряд должен быть в пределах 40-60%

Дата выпуска нового аккумулятора со склада обычно не превышает 2-3 месяцев.

Перед началом использования необходимо правильным образом произвести первую калибровку прибора, то есть первую зарядку аккумулятора. Калибровка заключается в обновлении параметров состояния батареи. Если аккумулятор изготовлен менее месяца назад, то калибровку можно не производить.

Необязательно перед первой зарядкой полностью разряжать аккумулятор, достаточно разрядить его до значения 10%. Первый раз нежелательно оставлять аккумулятор без контроля во время зарядки – нужно периодически проверять нагрев и батарейки, и блока питания. При обнаружении перегрева требуется немедленно отсоединить устройство от электричества. После достижения полного заряда устройство рекомендуется оставить заряжаться еще на пару часов.

Немного о литий-ионных батареях

Особенности АКБ типа 18650:

1. Длительный срок службы. Источник питания способен выдерживать до 600 циклов разряда и заряда. Литиевые батареи обладают увеличенным сроком эксплуатации, они могут длительно сохранять емкость.
2. Компактные размеры. Высота элемента составляет 65 мм, диаметр – 18 мм. Эти числа легли в основу названия аккумулятора. При небольших размерах батарея имеет широкие возможности.
3. Наличие контроллера. Большая часть аккумуляторов старого образца отличается высокой взрывоопасностью. В корпусе батареи протекают химические реакции, скорость которых при перегреве многократно увеличивается. Возникало и механическое замыкание нескольких содержащих электролит емкостей, приводившее к возгоранию. Контроллер, встраиваемый в современные источники питания, препятствует сильному перегреву и взрыву. Это же от перезаряда.
4. Невозможность длительного хранения. Долго находившиеся в нерабочем состоянии батарейки быстро утрачивают емкость. Заряжать li-ion аккумулятор нужно регулярно. При этом соблюдают ряд правил, препятствующих выходу изделия из строя. Нужно правильно рассчитывать ток заряда и ограничивать напряжение. Нарушение правил приводит к снижению срока службы.

Полезные рекомендации при эксплуатации аккумуляторов 18650

Не стоит часто проводить этим батарейкам популярную «прокачку» в виде нескольких циклов «заряд-разряд». Будет лучше следить за уровнем их заряда: он не должен превышать 90%. Именно такая схема действий поможет продлить жизнь любому типу литиевых батарей и максимально сохранить показатели их емкости.

Также не стоит допускать их глубокого разряда — в противном случае, восстановить прежние параметры будет весьма проблематично

Для того, чтобы быть уверенным в покупке качественных элементов, всегда следует обращать внимание на время их выпуска. Если им больше трех лет — можно считать их просроченными

Когда приходится постоянно иметь дело с той или иной портативной техникой, нужно всегда знать о том, как зарядить аккумулятор правильно. Если это 18650 аккумулятор, как заряжать его максимально продуктивно? Зная основные показатели тока и напряжения, не составит труда провести процесс зарядки без ущерба для батареек. А если есть необходимость и желание, простое зарядное устройство всегда можно изготовить своими руками.

Как проверить емкость АКБ

Существует несколько эффективных способов узнать емкость любого аккумулятора. Некоторые из них не требует особых затрат или специальной аппаратуры, а только нехитрые математические вычисления.

Точность таких методов не так высока, как при использовании специальных устройств, однако они позволяют узнать приблизительную емкость. Для многих этого будет достаточно.

Итак, для вычисления емкости бесплатным методом необходимо использовать известный ток. В характеристиках аккумулятора имеется информация о токе. Батарея, имеющая емкость 3600 заряжается на протяжении 36 часов током 100 мАч. Это значит, что конечный результат получается за счет перемножения двух составляющих: времени и тока. Поэтому, зная, сколько требуется для полной зарядки, можно узнать емкость.

Для измерения емкости другим способом, необходимо будет потратить деньги. Существует множество интеллектуальных зарядных устройств, с помощью которых можно быстро измерить емкость. Их можно приобрести в специализированном магазине или на aliexpress. Они используются для измерения различных показателей, а не только емкости.

Устройство измеряющее реальную емкость

Для осуществления третьего способа понадобятся такие детали, как АКБ, часы, амперметр с фонариком. Необходимо вставить батарейку в фонарик, включить его на максимальную мощность. Амперметр необходимо для измерения тока. Если фонарик будет светить 20 часов с потреблением тока в 100 мА, то получаем 20*100= 2000 мАч.

Ведущие производители зарядок для аккумуляторов 18650

Сегодня на рынке потребителям предлагается большое количество самых разных решений. Как правило, в большинстве случаев в продаже можно найти зарядные устройства от китайских производителей. Многие бренды, занимающиеся выпуском различных аксессуаров для электроники, предлагают оптимальные решения по моделям для 18650. Среди качественных брендов можно выделить такие решения, как: Jetting, VariCore, Vontar, LiitoKala и другие

Важно понимать, что не существует какого-либо единого стандарта для таких зарядок. Именно поэтому форм-фактор устройства сильно отличается от товара к товару

Чтобы батарея 18650 обеспечивала максимальную эффективность, важно правильно подобрать требуемую модель. Для более подробного изучения всех плюсов и минусов, стоит подвергнуть классификации самые востребованные и качественные решения, составив рейтинг. Потребителю останется только выбрать оптимальную зарядку, исходя из своих потребностей.

Микросхемы контроля/индикации

Основу линейки «батарейных микросхем» любого производителя составляют именно микросхемы заряда аккумуляторных батарей (Battery Chargers IC), которые и были рассмотрены выше. Но многие производители дополняют номенклатуру «сопутствующими» микросхемами, к которым можно отнести микросхемы контроля состояния батареи (Battery Status Monitor) и микросхемы индикации уровня заряда батареи (Battery Gas Gauge). В номенклатуре STMicroelectronics обе эти роли выполняют STC3100 и STC3105. Схема включения STC3105 представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема включения STC3105

С функциональной точки зрения микросхема осуществляет периодические измерения значений напряжения на выходе микросхемы и тока, протекающего через нее. Полученные и обработанные данные передаются на микроконтроллер по каналу I2C. Данные микросхемы, с одной стороны, могут оказаться эффективным дополнением для простых микросхем заряда в приложениях, где не имеет смысла усложнять саму процедуру заряда, но может оказаться полезным расширить функции контроля над процессом. С другой стороны, интерфейс I2C предполагает наличие микроконтроллера, который должен получить данные и, в результате, принять какое-то решение на их основе. Но в этом случае напрашивается решение о применение интеллектуальных микросхем STBC21 и STw4102, в которых уже реализованы некоторые функции мониторинга.

Схемы балансиров для литиевых аккумуляторов

В чем заключается балансировка при сборке батареи последовательно? Когда соединение банок идет противоположными полюсами, напряжение суммируется. Ток протекает одинаковый. По разным причинам разница в емкости может немного отличаться. Но если не поставить преграду, самая малая банка переполнится, то есть перезарядится. Это плохо. При работе ток отбирается в равных количествах. Банка, у которой емкость немного ниже, разрядится настолько, что может выйти из строя, пока другие элементы сборки отдают энергию до нормы.

Балансир представляет схему, которая создает препятствия для прохождения тока в заряженную батарею, направляя ее через дополнительные сопротивления, резисторы. Балансир включает стабилитрон TL431A и транзистор односторонней прямой проводимости BDI 40

Отличные балансиры включены в схему зарядных устройств для литиевых аккумуляторов, которыми широко пользуются. Их маркировка Turnigy Accucel-6 50W 6A и iMAX B6.

Перед вами простая и понятная схема балансировки литиевых аккумуляторов, которую можно сделать самостоятельно.

Можно ли заряжать литиевый аккумулятор обычной зарядкой

Две разных системы аккумуляторов – литиевые и свинцовые требуют разного подхода к восстановлению емкости. Свинцовый АКБ не настолько требовательны к параметрам зарядки, как литиевые. Да и критерии заряда другие.

Для зарядки на первом этапе Li-ion, Li-pol требуется постоянный ток, на втором этапе постоянное напряжение. Если не контролировать параметры на первом этапе, возможен перезаряд. Но если в батарее есть встроенная защита – BMS – она справится. Поэтому несколько добавить энергии можно даже зарядником от телефона.

В зарядном устройстве для свинцовых АКБ главный показатель – стабильное напряжение. Для литиевых зарядников на первом этапе важен стабильный ток.

Правда, появились универсальные ЗУ, которые можно перенастроить на тот или иной режим зарядки. Перед вами российская разработка “Кулон”.

Как заряжать литиевые аккумуляторы

Как заряжать АКБ 18650

При зарядке АКБ 18650 необходимо соблюдать следующие правила:

1. Начинать восстановление нужно при напряжении 0,05 В, постепенно повышая его до 4,2 В.
2. Диапазон допустимого тока заряда – 25-50% от емкости (например, для АКБ на 2000 мА/ч он варьируется от 0,5 до 1 А).
3. Оптимальный показатель составляет 25-30% емкости, максимальный ампераж используется только при срочной подзарядке.
4. Допустимое время зарядки при полном разряде аккумулятора – 3 часа.
5. Для точного выбора длительности восстановления нужно измерить его вольтаж мультиметром или подключить к интеллектуальному зарядному устройству (ЗУ).

Оптимальный режим состоит из двух этапов:

1. CC (constant current). На нем нужно обеспечить постоянный ампераж, который находится в пределах 20-50% емкости аккумулятора. При ускоренном заряде может использоваться и большее значение тока, но часто применять такой режим не рекомендуется. Зарядное устройство должно быть оборудовано функцией плавного подъема вольтажа. На первом этапе зарядник работает как стабилизатор силы тока.
2. CV (constant voltage). При подъеме напряжения до 4,2 В можно переходить ко второму этапу подзарядки, на котором поддерживается вольтаж 4,15-4,25 В. К концу первого этапа АКБ восстанавливается на 70-80%. По мере накопления заряда до 90-95% ампераж будет плавно снижаться. Как только его значение достигнет 1-5% емкости, батарею можно отключать от ЗУ.

Некоторые модели «зарядок» оборудованы режимом восстановления АКБ при глубоком разряде (менее 2,5 В). На нем батарея заряжается низким током (не более 5-10% емкости) до тех пор, пока ее вольтаж не достигнет 2,8 В. После этого ЗУ переходит в режим постоянного тока.

Опасность перезаряда и полного разряда

Универсальное зарядное устройство

Исходя из устройства литиевых батарей, не рекомендуется допускать их полной разрядки или перезарядки.

К примеру, никель-кадмиевые батареи имеют эффект памяти. Это значит, что неправильный режим зарядки приводит к потере ёмкости. Неправильным считается режим, когда подзаряжается батарея, которая не полностью разрядилась. Если начать заряжать ее в не полностью разряженном состоянии, она может терять свою ёмкость. Зарядные устройства для таких батарей производятся со специальными режимами работы, которые сначала разряжают батарею до нужного уровня, потом начинают ее подзаряжать.

Литиевые батареи не требуют такого хлопотного обслуживания. Эффекта памяти у них нет, но они боятся полной разрядки. Поэтому их лучше подзарядить, когда появляется возможность, не дожидаясь полного разряда. Но и перезаряд для них неприемлем. Поэтому оптимальным будет не допускать разряда ниже 15 % и заряда более 90%. Так можно увеличить срок службы батареи.

Это касается только батарей без защиты. Если у аккумуляторов есть защита, реализованная на отдельной плате, то она отсекает заряд сверх меры, если разряд достигает минимального уровня, то отключает устройство. Обычно это показатели более 4,2 Вольта и 2.7 Вольта, соответственно.

Немного о литий-ионных батареях

Поскольку эта АКБ является разновидностью Li-Ion аккумуляторов, следует упомянуть о том, что срок службы этих элементов сейчас довольно высок. Для литиевых аккумуляторов 18650, так же, как и для других АКБ с литием в составе, характерен высокий уровень емкости и способность длительное время держать заряд.

Раньше большая часть таких батареек отличалась повышенной взрывоопасностью, в буквальном смысле слова. Причиной были определенного вида химические реакции, протекавшие во время перегрева элементов в условиях высоких температур. Также имело место и механическое замыкание внутри одной или нескольких «банок», приводившее к воспламенению.

Сейчас все аккумуляторы такого типа снабжены специальными устройствами с контроллером в составе схемы, что не позволяет допустить критического перегревания и взрыва. Это устройство можно найти в любой батарейке 18650, если аккуратно вскрыть ее и посмотреть, что находится внутри.

Если такие элементы долго не использовать и оставлять разряженными, они могут быстро терять свои свойства. Поэтому зарядка 18650 должна проводиться регулярно, при этом, должна обязательно соблюдаться определенная схема. Например, нужно знать, каким током заряжать Li-Ion, или же каким напряжением должна проводиться зарядка литий-ионных аккумуляторов 18650, чтобы не произошло их перегрева и преждевременного выхода из строя.

Это интересно: Заряжаем мобильный телефон без зарядки: это надо знать

Зарядное устройство для литий полимерных аккумуляторов

Для зарядки LiPo аккумуляторов используются специальные зарядные устройства, универсальные ЗУ для этой задачи не подходят. Это связано с тем, что процесс зарядки имеет две фазы:

1. На первой стадии растет напряжение на всех банках батареи, пока не достигнет 4,2 В. К этому моменту АКБ успевает зарядиться на 95%.
2. На второй стадии ток снижается, чтобы избежать перезарядки. Кроме того, при напряжении свыше 4,25 В появляется риск самовозгорания батареи.

Важно, чтобы банки разряжались и разряжались равномерно. Напряжение на каждой из банок не должно падать ниже 3 В (это случается при полной разрядке батареи)

В противном случае АКБ может вздуться, необратимо потеряв около 50% емкости.

Для щадящей подпитки АКБ с контролем уровня напряжения каждой банки подходит зарядное устройство со встроенным балансиром. Альтернативой служит использование отдельного балансира при подключении ЗУ к сети.

Измерение характеристик модуля

Мерить мы будем следующее:

1. Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
2. Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.

Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.

Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.

С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Чтобы максимально снизить погрешность, данные приходящие за 10 секунд усреднялись ( по 200 приходящих значений).

Литература

1. Чигарев М. Микросхемы управления зарядом аккумуляторов компании ON Semiconductor//Новости Электроники, № 3, 2010.

2. Никитин А. Интегральные схемы управления зарядом аккумуляторов производства Maxim//Новости электроники, № 15, 2009.

3. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003.

4. L6924U. USB compatible battery charger system with integrated power switch for Li-Ion/Li-Polymer//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка

5. Camiolo Jean, Scuderi Giuseppe. Reducing the Total No-Load Power Consumption of Battery Chargers and Adapter Applications Polymer//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка

6. Maximum power point tracker. Статья в Википедии. Страница в Интернете: http://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracker

7. STEVAL-ISV012V1: lithium-ion solar battery charger//Материал компании STMicroelectronics. Размещение в Интернете: Ссылка.

Как заряжать литиевые аккумуляторы

Вся фишка зарядки литиевых аккумуляторов кроется в том, что ни ток заряда ни напряжение не должен быть постоянными. Процесс заряда должен проходить по определенным фазам:

TP4056 — Модуль зарядки с защитой li-ion аккумуляторов

Вся фишка зарядки литиевых аккумуляторов кроется в том, что ни ток заряда ни напряжение не должен быть постоянными. Процесс заряда должен проходить по определенным фазам:

1. При полной разрядке аккумулятора ( < 3 вольт) ток заряда должен быть максимальным. Обычно он не должен превышать значения емкости аккумулятора (С).
2. По мере накопления заряда, т.е. повышении напряжения аккумулятора, ток заряда должен уменьшаться.
3. При достижении 90% от полного заряда, ток заряда должен снизиться до уровня порядка 0,1С. Как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4.1-4.15 В, процесс заряда должен прекратиться.

Соблюдение этих правил заряда литиевого аккумулятора обеспечит ему продолжительный срок службы. Разрядка литиевого аккумулятора ниже 3 вольт, а так же его регулярная перезарядка даже на 0.1 вольта значительно сокращает емкость аккумулятора.

Какое устройство следует использовать

Для подзарядки АКБ 18650 нужно использовать устройства с номинальным напряжением 4,2 В. Если литий-ионный накопитель планируется подключать к универсальному ЗУ, то оно должно быть оборудовано контроллером параметров и индикаторами окончания процесса.

Наиболее дешевые модели имеют 1-2 гнезда для батарей, максимальный ампераж до 1 А и номинальный вольтаж 4,2 В. Лучший вариант ЗУ для литиевых накопителей – интеллектуальное устройство, оборудованное измерителем напряжения на клеммах, функцией восстановления после глубокого разряда и защитой от превышения номинального вольтажа.

Характеристики модуля для заряда Li-ion аккумулятора на базе TP4056:

• Используемый контроллер: TP4056 и DW01 для зашиты аккумулятора от переразряда и перезаряда;
• Режим зарядки: линейная 1%;
• Ток зарядки: до 1А (настраивается);
• Точность зарядки: 1.5%;
• Входное напряжение: 4.5 — 5.5В;
• Напряжение полного заряда: 4.2В;
• Индикаторы: красный — зарядка, зеленый (в некоторых версиях синий) — заряд окончен;
• Входной разъем: mini USB, MicroUSB или контакты для подпайки проводов;
• Диапазон температур: -10 до +85 град.С;
• Защита от переполюсовки: нет;
• Защита от перезаряда: 4.30±0.050 В;
• Защита от переразряда: 2.40±0.100 В;
• Вес: 5 г;
• Размеры платы: 25 × 17 × 4 mm.
• Рабочая температура: -10° до +85°
• Микросхема управления: TP4056
• Минимальное входное напряжение: 4.5V
• Максимальное входное напряжение, В: 5.5
• Выходное напряжение, В: 4.2 (при полной зарядке)
• Номинальный выходной ток, А: 0-1.0
• Тип заряда — линейный метод зарядки
• Точность заряда — 1.5%
• Полное напряжение заряда — 4.2v
• Количество заряжаемых аккумуляторов 1 шт.
• Светодиодный индикатор: заряжается — «красный» , полностью заряжено — «зеленый» (иногда синий)
• Входной интерфейс — различные варианты usb

Микросхема имеет индикацию процесса заряда и сама отключает аккумулятор при достижении напряжения на нем 4,2В. В момент заряда светится красный светодиод, когда батарея будет полностью заряжена засветится зеленый(синий) светодиод, красный при этом погаснет.
Процесс зарядки аккумулятора идентичен зарядке мобильного телефона.

Модуль подходит для зарядки Литий-Ионных и Литий-полимерных (Li-Ion, Li-Po) банок. Будь то аккумуляторы от мобильного телефона или батареи типоразмер 18650 или какие либо другие. Подать напряжение на устройство можно двумя способами: через разъем, мини/микро/type-C USB, или путем пайки проводов, минуя разъем.

Кроме того, у микросхемы есть возможность подключить термодатчик, который следит за температурой батареи, а это очень важно, об этом я уже упоминал вот в этой статье. Работать этот датчик конечно будет при его наличии и подключении и непосредственном контакте датчика с батареей, что чаще всего мы не делаем)). Датчик подключается к выводу 1 и GND (вывод 3) и резистивный делитель, которым задается начальное смещение (номиналы резисторов делителя зависят от сопротивления используемого терморезистора). На всех модулях (которые встречались мне) этот вывод подключен на землю и естественно не используется.

1 TEMP — подключение датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею. Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостановится. Контроль температуры отключается замыканием входа на общий провод.

2 PROG — Программирование тока зарядки (1.2к — 10к); Постоянный ток зарядки и контроль напряжения зарядки выбираются сопротивлением резистора, между этим пином и GND; Поддерживается ток заряда от 30мА до 1А. Для всех режимов зарядки, зарядный ток может быть выставлен резистором согласно таблице:

4 Vcc — Напряжение питания, если ток потребления (ток зарядки батареи) становится ниже 30mA, контроллер уходит в спячку, потребляя от контакта BAT

5 BAT — Подключение аккумуляторной батареи (+);

6 STDBY — Индикация окончания заряда, при слишком низком напряжении питания, или напряжении на входе ТЕМР не в диапазоне — разомкнут; При подключенной батарее, в течении зарядки — разомкнут, по окончании — замкнут; При неподключенной батарее замкнут;

7 CHRG — Индикация зарядки, при слишком низком напряжении питания, или напряжении на входе ТЕМР не в диапазоне — разомкнут; При подключенной батарее, в течении зарядки — замкнут, по окончании — разомкнут; При неподключенной батарее, кратковременно включается с периодом 1-4 сек (светодиод мигает);

8 CE — Управление зарядкой. При подаче высокого уровня микросхема находится в рабочем режиме, при низком уровне контроллер в состоянии сна. Вход TTL и CMOS совместим;

Процесс зарядки происходит точно по всем стандартам и состоит из нескольких этапов:

1. Контроль напряжения подключенного аккумулятора (постоянно);

2. Зарядка током 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) до уровня 2.9 В (если требуется);

3. Зарядка максимальным током (1000мА при Rprog = 1.2к);

4. При достижении на батарее 4.2 В идет стабилизация напряжения на уровне 4.2В. Ток падает по мере зарядки;

5. При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) зарядное устройство отключается. Переход к п. 1

По сути это более навороченная модификация чипа TP4054, у которого в свою очередь куча аналогов (MCP73831, LTC4054, TB4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051).

Модуль на основе TP4056 существует в 2-х исполнениях, с защитой и без:

Модуль на TP4056 с защитой Модуль на TP4056 с защитой Модуль на TP4056 без защиты Модуль на TP4056 без защиты

Отличие состоит в одной микросхеме (DW01), транзисторной сборке (ML8205A) и нескольких элементах обвязки.

Плата без защиты это на 100% схема согласно даташиту TP4056, за исключением, как я уже сказал, подключения термодатчика.

Плата с защитой дополнена микросхемой DW01 и транзисторной сборкой ML8205A. Эта защита добавляет:

• Встроенная защита от короткого замыкания по выходу (ограничение до 3А);
• Встроенная защита от глубокого разряда аккумулятора (2,4 вольт);
• Защиту от переполюсовки батареи, но она крайне кратковременна и чаще всего ведет в выгоранию DW01, которая ценой своей жизни спасает остальной модуль.

Описание выводов модуля

Принципиальная схема модуля на TP4056

Схема (без защиты) практически идентична схеме из даташита, за исключением подключения термодатчика аккумулятора. Если понадобилось, можно вывести вход датчика температуры отдельным проводком, напаявшись на лапку и отрезав ее от GND. Или же подняв лапку над платой и напаявшись.

Схема защиты на базе DW01A (из спецификации) выглядит следующим образом:

Ниже приведено типовое включение TP4056, защиты на базе DW01A и мосфетов S-8205A.

Варианты подключения и нюансы настройки

Перед подключением микросхемы надо разобраться с назначением ее выводов. Нумерация пинов идет от ключа против часовой стрелки (если смотреть сверху).

На нижней поверхности корпуса расположен теплоотвод, не соединенный ни с одним из выводов.

1. Temp. Сюда можно подключить вывод штатного датчика температуры, который встраивается в некоторые батареи. Нормальным режимом считается, если напряжение датчика лежит в пределах от 0,45 до 0,8 от напряжения питания. При выходе за эти пределы заряд блокируется.
2. Prog. Сюда подключается резистор, определяющий ток заряда (второй вывод резистора – на общий провод). Стандартное значение резистора – 1,2 кОм, при этом ток составит 1 А (максимальное значение).
3. GND. Общий вывод.
4. VCC. Напряжение источника питания. Он же является источником зарядного тока, поэтому должен быть рассчитан на полный ток заряда плюс небольшое потребление самой микросхемы.
5. BAT. Сюда подключается плюсовой вывод батареи. Минусовой подключается к общему проводу.
6. STDBY. Вывод с открытым стоком. Индикация дежурного режима (используется для опознавания окончания заряда). На выводе присутствует низкий уровень в процессе зарядки (подключен к нулевому проводу), а если зарядка не идет – вывод в состоянии высокого сопротивления.
7. CHRG. Индикация зарядки. Вывод с открытым стоком. Пока батарея заряжается, присутствует низкий уровень, в противном случае в состоянии высокого сопротивления.

Если заряд прекращен по повышению температуры батареи, или батарея отсутствует, или ее напряжение слишком низкое — оба светодиода будут погашены.

Типовое включение микросхемы указано в Datasheet. Питание подается через фильтр из резистора 0,4 Ома и конденсатора 10 мкФ (устанавливать не обязательно, но желательно для защиты от помех).

Типовое включение TP4056

К выводам 7 и 6 через токоограничивающие резисторы в 1 кОм подключены катоды светодиодов, индицирующих дежурный режим и режим зарядки. Для режима STDBY выбран LED с зеленым цветом свечения, для режима CHRG – с красным.

Цвет свечения светодиодов принципиального значения не имеет и на работоспособность схемы не влияет – можно устанавливать светоизлучающие элементы с любым цветом.

С помощью резисторов R1 и R2 на входе Temp создано смещение. Оно позволяет заряжать аккумуляторы, не подключая датчик температуры (например, при его отсутствии). Заряжаемая батарея подключается между выводами 5 (положительный вывод) и общим проводом (отрицательный вывод). Параллельно аккумулятору можно подключить аккумулятор емкостью 10 мкФ. При его установке при отсутствии батареи зеленый светодиод будет гореть постоянно, а красный вспыхивать с периодом 1..4 сек.

К выводу 2 подключен «программирующий» резистор. Он определяет ток заряда в режиме стабильного тока. Зависимость тока от сопротивления выглядит так:

Iзар=(1/Rпрог)*1200, где Rпрог – сопротивление «программирующего» резистора в килоомах, а Iзар – ток заряда в миллиамперах. Для стандартных номиналов резисторов соотношение тока и сопротивления приведено в таблице.

Rпрог, кОмIзар, мА

Более совершенное зарядное устройство можно получить, если дополнить TP4056 модулем защиты на DW01A. Для подключения дополнительно модуля не надо вносить изменения в базовую схему – схема на DW01A подключается к выводам контроллера (к микросхеме надо добавить два N-канальных полевых транзистора с изолированным затвором), а батарея подключается к выводам дополнительного участка.

Зарядное устройство с модулем защиты на DW01A

Дополнительная схема осуществляет несколько защит аккумулятора:

1. От перезаряда. Если напряжение на аккумуляторе по какой-либо причине превысит 4,2 вольта, транзистор, управляемый от пина 1 микросхемы, отключит аккумулятор от зарядного устройства. Если напряжение падает ниже установленного порога. FET открывается вновь.
2. От переразряда. Если напряжение на батарее упадет ниже 2,4 вольта, левый по схеме транзистор, управляемый от вывода 3, отключит аккумулятор от нагрузки.

Мнение эксперта Становой Алексей Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой. Задать вопрос При этом от зарядного устройства батарея не будет отключена – ток подзаряда пойдет через «паразитный» диод транзистора. При дозарядке до 2,4 вольта аккумулятор оживет и начнет заряжаться номинальным током.

При коротком замыкании отключаются оба транзистора. Обнаруживается режим КЗ по резкому падению напряжения.

Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

Как регулировать ток заряда

В исходном состоянии модуль может выдать максимальный ток заряда до 1 Ампера.

Если же емкость аккумулятора меньше 1000мА*ч, то максимальный ток заряда лучше снизить до значения, равного емкости аккумулятора или еще ниже, особенно если аккумулятор не очень новый. Для этого стоит заменить резистор RPROG на подходящий номинал.

Измерение характеристик модуля

Мерить мы будем следующее:

Читайте также: Литий-полимерный аккумулятор — характеристики, плюсы и минусы

1. Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
2. Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.

Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.

Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.

С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Чтобы максимально снизить погрешность, данные приходящие за 10 секунд усреднялись ( по 200 приходящих значений).

Все пытки проводились с участием аккумулятора Sony VTC6 формата 18650. Этот аккумулятор обладает емкостью 3000 мА*ч. Максимальный выходной ток аккумулятора может достигать 30 А.

Контроль разряда аккумулятора

Для изучения выходных характеристик модуля схема была несколько изменена. В качестве нагрузки был установлен переменный резистор, включенный последовательно с амперметром к выходным контактам модуля.

Сопротивление нагрузочного резистора было установлено так, что начальный ток разряда составлял около 1.15 А. Т.к. нагрузка была постоянной, соответственно ток в выходной цепи падал с падением напряжения на аккумуляторе.

Как видно из графика, модуль благополучно отрубил нагрузку от аккумулятора в районе 5000 сек. А это значит, что модуль отдавал ток порядка 1 ампера в течении полутора часов и не загнулся. Отличный результат)

Рост напряжения на аккумуляторе, после отключения нагрузки, вызван химическим восстановлением аккумулятора после столь длительной отдачи приличного тока.

Если аккумулятор был полностью разряжен и модуль его отключил, то включение произойдет, при подключении зарядного устройства, как только напряжение на аккумуляторе достигнет уровня в 2.9 — 3 вольта.

Тесты зарядки реальных аккумуляторов

Заявленная емкость 3400mAh:

Очень хороший график CC/CV, немного затянуто падение СС, это увеличивает время зарядки, но аккумулятору от этого хуже не будет. Ток зарядки не достиг заявленных 1000мА. Возможно его ограничила температура самого контроллера. Контроллер сначала сильно разогревшись к концу зарядки остывает.

Снижение напряжения питания до 4.5 В, увеличивает время зарядки и уменьшает температуру, но итоговое напряжение немного ниже.

Увеличение напряжения питания действительно увеличивает температуру, но также и уменьшает ток. Когда чип перегревается, он уменьшает ток.

То же, но использован небольшой алюминиевый радиатор на контроллере. И это действительно помогает, температура ниже, чем при питании от 5,0 В.

Старый 16340 IMR аккумулятор от видеокамеры также был заряжен успешно.

После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора. Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 mkA. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова.
При отключении и подключении аккумулятора, зарядка включится только если напряжение аккумулятора ниже 4.0В.

Внимание. Контроллер имеет одну особенность, не описанную в даташите.
Он не содержит схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выходит из строя из-за превышения максимального тока и теплового пробоя. Но это только полбеды, контроллер пробивается накоротко, и на его выходе (батарее) появляется полное (!) входное напряжение.
Это особенно актуально для заряда пальчиковых аккумуляторов типа 18650. При установке очень легко ошибиться с полярностью.

Можно купить и модули с защитой:

Кроме контроллера зарядки ТP4056 в него добавлены два чипа: DW01 (схема защиты) + ML8205A(сдвоенный ключ MOSFET).

Умный модуль бережет аккумулятор

Я не зря назвал этот модуль умным. Если внимательно присмотреться к моменту подачи питания на модуль, то можно увидеть небольшую ступеньку на зависимости тока. Вот так она выглядит крупным планом:

Речь идет о ступеньке между 500 и 600 секундами на уровне 100 мА. Эта ступенька присутствует если аккумулятор разряжен ниже 3 вольт.

Модуль бережно относится к аккумулятору. Сначала он доводит напряжение на аккумуляторе примерное до 3 вольт током в 100 мА. А уже затем начинает кочегарить через аккумулятор 1 ампер. Ну или ток, который был установлен резистором RPROG.