Защита литиевых аккумуляторов от перезаряда и переразряда на TP4056

Со временем у многих радиолюбителей накапливается некоторое количество литиевых аккумуляторов. Это могут быть батареи от мобильных телефонов, а также просто банки от портативных устройств.

Аккумуляторы от телефонов имеют один большой плюс: они уже имеют встроенный контроллер, который:

• контролирует процесс заряда, отключая аккумулятор, когда он полностью зарядился
• контролирует процесс разряда, защищая банку от глубокого переразряда
• защищает аккумулятор от короткого замыкания и повышенного тока в нагрузку

Отдельные литиевые банки таких контроллеров не содержат, и для них приходится придумывать свою схему защиты. В простейшем варианте это может быть контроллер, снятый с неисправного аккумулятора телефона. Но здесь есть несколько минусов:

• плата контроллера рассчитана на определённый тип аккумулятора и контролирует процесс заряда и разряда по определённому напряжению, которое может отличаться от параметров вашего аккумулятора
• значение тока, при котором включается защита от короткого замыкания и чрезмерного тока, может зависеть от ёмкости аккумулятора, для которого предназначен данный контроллер
• иногда бывает сложно идентифицировать микросхему контроллера на плате по её сокращённому обозначению

Мы приводим древний манускрипт, содержащий схемы подключения распространённых микросхем защиты литиевых аккумуляторов, которые контролируют как процесс заряда, так и разряда. В нём приведена распиновка, проставлены номера выводов; если на вашей плате контроллера установлен клон одной из этих микросхем, Вы без труда сможете зарисовать схему и, возможно, скорректировать номиналы обвязки под свою литиевую банку.

Нажмите для увеличения схем
Разберём работу подобного контроллера на примере микросхемы R5421. Как видно из схемы, она содержит два полевых транзистора, микросхему и несколько резисторов с конденсаторами в обвязке. Микросема-контроллер следит напряжением и током аккумулятора, управляя при этом полевиками для защиты от перезаряда и переразряда.

Микросхема R5421 в нормальном режиме имеет высокий уровень на выходах C0 и D0, два полевых транзистора находятся при этом в открытом состоянии. Литиевая банка при этом может спокойно заряжаться и разряжаться. Сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии мало - порядка 30 миллиом. В этом режиме микросхема контроллера потребляет обычно не более 7 мкА.

Заряд литиевого аккумулятора происходит постоянным током и напряжением. В конце заряда напряжение на банке возрастает до 4,2 вольт, а ток заряда при этом становится всё меньше. По окончании процесса, если напряжение возрастёт до 4,3 вольт, это может привести к разрушению аккумулятора. Схема защиты мониторит это напряжение на уровне 4,28 вольт. При этом напряжение на выходе C0 уменьшается до низкого уровня, что приводит к закрыванию полевого транзистора (в данном случае - это V2 по схеме), что обрывает ток заряда. При этом аккумулятор может спокойно разряжаться через технологический диод VD2. Для создания некоего гистерезиса введён конденсатор C3, который создаёт паузу примерно в 1 секунду между следующим слежением за напряжением.

В процессе разряда аккумулятора, напряжение на выводах банки падает, и когда оно становится ниже 2,5 вольт, это означает, что вся ёмкость батареи исчерпана - аккумулятор разряжен, и дальнейший разряд может привести к необратимым повреждениям. Микросхема контролирует напряжение на банке, и когда оно опускается до 2,3 вольт (это напряжение зависит от типа микросхемы), напряжение на выходе D0 опускается до низкого уровня, и полевик V1 закрывается, отсекая тем самым цепь тока разряда, поэтому аккумулятор дальше не разряжается. В это время аккумулятор может свободно заряжаться через технологический диод VD1. В этом режиме микросхема потребляет менее 0,1 мкА. Аналогично, для создания задержки между мониторингом напряжения, конденсатор C3 вводит задержку примерно в 100 миллисекунд.

Производители аккумуляторов рекомендуют максимальный ток разряда, равный 2C, где C - ёмкость аккумулятора в А/ч, при превышении которого возможно разрушение аккумулятора. Ток нагрузки, протекающий через полевые транзисторы, создаёт на них падение напряжения, при превышении значения которого на выходе D0 напряжение снижается до логического нуля и полевик V1 закрывается, отключая цепь разряда. Конденсатор C3 здесь также обеспечивает таймаут перед следующим мониторингом, равный 13 миллисекундам.

Если при подключении нагрузки падение напряжения на полевых транзисторах превышает 0,9 вольт (это значение зависит от типа контроллера), микросхема снижает напряжение на выходе D0 до логического нуля, что закрывает полевик V1, защищая банку от короткого замыкания. Таймаут в этом режиме обычно составляет 7 микросекунд.

Данная микросхема является контроллером заряда литиевого аккумулятора. С помощью внешнего резистора можно задавать ток зарядка до 1А. Напряжение заряда банки у данной микросхемы равно 4,2 вольт с точностью 1,5%. Имеются выходы для подключения двух светодиодов индикации.

Китайцы продают платки таких контроллеров по 15 рублей. Индикаторные светодиоды не горят, если входное напряжение слишком низкое, температурный датчик определил слишком низкую или слишком высокую температуру (на китайских модулях терморезистор отсутствует) или если батарея не подключена. При заряде горит красный светодиод, а при окончании процесса заряда - красный гаснет и загорается зелёный.

Таблица значений внешнего резистора для задания тока заряда:

Плата зарядки имеет разъём miniUSB, однако не следует подключать её к компьютеру, если резистором задан ток больше 500 мА (по умолчанию установлен резистор сопротивлением 1,2 кОм для тока 1А).

Про новые комбинированные контроллеры заряда и разряда см. .

Для чего литий─ионному аккумулятору нужен контроллер зарядки?

Многие читатели сайта спрашивают о том, что такое контроллер заряда литий─ионного аккумулятора, и для чего он нужен. Этот вопрос кратко упоминался в материалах, где описывались различные типы литиевых аккумуляторов. Этот тип аккумуляторных батарей практически всегда имеет в своём составе контроллер зарядки, ещё называемый платой защиты Battery Monitoring System (BMS). В этой заметке подробнее рассмотрим, что это за устройство, и как оно функционирует.

Простейший вариант контроллера зарядки литий─ионных АКБ можно увидеть, если разобрать аккумулятор планшетного компьютера или телефона. Он состоит из банки (аккумуляторного элемента) и печатной платы защиты BMS. Это и есть контроллер зарядки, который можно видеть на фото ниже.

Основой здесь является микросхема контроллера защиты. Полевые транзисторы используются для раздельного управления защитой при зарядке и разрядке аккумуляторного элемента.

Назначение контроллера защиты в том, что он следит за тем, чтобы банка не заряжалась выше напряжения 4,2 вольта. Литиевый аккумуляторный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 вольта. Перезаряд и превышение напряжения выше 4,2 вольта могут привести к тому, что элемент выйдет из строя.

В аккумуляторах смартфонов и планшетов плата BMS следит за процессом заряда и разряда одного элемента (банки). В аккумуляторах ноутбуков таких банок несколько. Обычно от 4 до 8.

Также контроллер следит за процессом разрядки аккумуляторного элемента. При падении напряжения ниже порогового (обычно 3 вольта) схема отключает банку от потребителя тока. В результате устройство, работающее от аккумулятора, просто выключается.
Среди прочих функций контроллера зарядки стоит отметить защиту от короткого замыкания. На некоторых платах защиты BMS устанавливается терморезистор для защиты аккумуляторного элемента от перегрева.

Платы защиты BMS для литий─ионных аккумуляторов

Контроллер, рассмотренный выше, является простейшим вариантом защиты BMS. На самом деле разновидностей таких плат гораздо больше и есть довольно сложные и дорогостоящие. В зависимости от сферы применения выделяют следующие виды:

• Для портативной мобильной электроники;
• Для бытовой техники;
• Применяемые в возобновляемых источниках энергии.

Часто такие платы защиты BMS можно встретить в составе систем с солнечными батареями и в ветряных генераторах. Там, как правило, верхний порог срабатывания защиты по напряжению составляет 15, а нижний – 12 вольт. Сам аккумулятор в штатном режиме выдаёт напряжение 12 вольт. К аккумуляторной батарее подключается источник энергии (например, солнечная панель). Подключение выполняется через реле.

При увеличении напряжения на аккумуляторе более 15 вольт срабатывают реле и размыкают цепь заряда. После этого источник энергии работает на предусмотренный для этого балласт. Как говорят специалисты, в случае с солнечными панелями это может дать нежелательные побочные эффекты.

В случае ветряных генераторов BMS контроллеры применяются обязательно. Контроллеры зарядки для бытовой техники и мобильных устройств имеют существенные различия. А вот контроллеры аккумуляторов ноутбуков, планшетов и телефонов имеют одинаковую схему. Разница заключается только в количестве контролируемых аккумуляторных элементов.

Прислал:

Самодельная схема защиты для литиевого аккумулятора, плюс, небольшие комментарии.

Опыт использования Li-Ion аккумуляторов

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 аккумулятора (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 высокоинтегрированные 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 Li-аккумулятора нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

Напряжение на заряженном литиевом аккумумуляторе составляет 4,2В, а не 3,6В, как на нем написано. До 3,6В оно падает под нагрузкой, близкой к ёмкости аккумулятора. Контроль напряжения заключается в том, чтобы не дать аккумулятору разрядиться ниже 3В. Этот порог варьируется в пределах 0,5В в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора. Разряд аккумулятора ниже 3В (обычно, примерно, до 2.2В. Прим.ред. ), приводит к необратимым химическим процессам внутри аккумулятора, 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 аккумулятор (приблизительно, т.к. есть аккумуляторы, в которых разрядный ток может составлять до 10...15 С. Прим.ред. ) равен его ёмкости. Например, аккумулятор ёмкостью 2А ч может безопасно выдавать ток в 2А. Работа аккумулятора на токах, превышающих его ёмкость, возможна в кратковременных режимах, или в нормальном режиме, если это указано в документации производителем аккумуляторов. При коротком замыкании литиевый аккумулятор может взорваться! Будьте осторожны!

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

Батарея от ноутбука

Всё началось с того, что в моём ноутбуке отключилась аккумуляторная батарея. Ноутбуку было два года, от аккумулятора он почти не работал – все время был включен в сеть. Как потом мне сказали, это и могло быть причиной поломки аккумулятора. Т.е. это было не медленное умирание аккумулятора с понижением емкости, наоборот, ноутбук работал от него часов пять, просто в один прекрасный день, он не включился от батареи и всё. Батарея перестала определяться в Windows, и я сделал вывод, что сгорел встроенный контроллер аккумуляторной батареи. Разобрав батарею, мы увидели 6 элементов, объединённые 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, аккумулятор 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 аккумуляторы. 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 UR18650F . Только буквы М в конце нет. Документ оказался очень интересным. В нём были технические характеристики аккумулятора с ёмкостью 2,5А ч, габариты совпадали с нашим (этот габарит 18650, т.е. 18 мм диаметром и 65 мм длинной является стандартным и выпускается многими фирмами. Прим.ред. ).

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. равным удвоенной ёмкости. 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 полевой транзистор с запасом по току в 3 раза больше ёмкости аккумуляторов, например 15N03. (Одно из требований к этому транзистору, минимальное сопротивление в открытом состоянии для снижения потерь на нём. Прим.ред. )

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 аккумуляторной 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 R6 к «-» аккумуляторной 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.

(Что не шибко хорошо в данной схеме.
1. Необходимость подбирать номиналы резисторов для настройки на порог срабатывания транзистора. Т.е. подходит только для единичного, домашнего изготовления.
2. Большие номиналы резисторов. Это ведёт к тому, что их нужно очень тщательно изолировать от влаги, иначе будет очень большая нестабильность порогов срабатывания.
3. Отключение выхода при превышении тока без автоматического восстановления ведёт к тому, что запитать ёмкостную нагрузку может быть проблематично, т.к. при подключении нагрузки будет большой импульсный ток, что может вызвать срабатывание защиты.
Прим.ред.)

Печатная плата

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4 можно .

Если у Вас нет этой программы, ее можно .

Габариты устройства (30 х 16мм) были выбраны для возможности его установки в торец аккумуляторной 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, ёмкостей и производителей. 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.

(На самом деле, достаточно резистора в 1 Ом и даже менее, это при полностью разряженной одной батарее и полностью заряженной другой. Через некоторое время эти аккумуляторы можно соединить напрямую, без резисторов. В этом случае, их роль будет выполнять внутреннее сопротивление аккумуляторов. И процесс барансировки будет гораздо быстрее. Прим.ред. )

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.

(Однако, время от времени необходимо всё же вручную контролировать напряжение на банках, т.к. оно может со временем постепенно всё больше и больше различаться. Например, вследствии различных токов утечки, различных внутренних сопротивлений. Поэтому "ручной" контроль обязателен , даже если при сборке батареи аккумуляторы были "идентичны". Прим.ред. )

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) аккумулятора, как правило это 0,7С или 1,0С. Для наших элементов ток заряда был указан в документе, и равнялся 0,7С. Конечное 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.

(Это не совсем верно. Если взять блок питания с напряжением 4.2В и ограниченным током и попытаться заряжать от него аккумулятор, то зарядка будет очень долгой. И зарядный ток будет не слишком большим и может составлять десяток или сотню миллиампер (хотя, сам блок питания мог бы выдавать и амперы). Особенно этот ток снижается в конце зарядки из-за того, что разность напряжений между блоком питания и аккумулятором становится всё меньше и меньше и она уже не может "протолкнуть" в аккумулятор большой ток, который ограничивается внутренним сопротивлением.
Поэтому, для того, чтобы сделать "грамотную" зарядку нужно иметь блок питания с напряжением хотя бы на 1В выше, чем зарядное, т.е. более 5В на банку. В этом случае зарядный ток определяется ограничителем тока блока питания, а не аккумулятором. Только по достижению 4.2В блок питания должен начинать снижать ток, чтобы не допускать поднятия напряжения на аккумуляторе выше этого значения.
Более того, заводские зарядники часто ведут зарядку до напряжений 4.25...4.3В измеряемого "под током" , т.к. после отключения зарядного напряжения, напряжение на аккумуляторе снижается и становится меньше примерно на 0.1В, в зависимости от тока зарядки. Последний метод не очень универсальный, т.к. надо заранее знать и величину снижения напряжения на аккумуляторе после снятия тока зарядки. А она зависит от внутреннего сопротивления аккумулятора и индивидуальна. Прим.ред.)

На графике Charge characteristics (характеристики заряда) показаны оба этапа зарядки. На первом этапе через аккумулятор пропускают ток 0,7С. Здесь главное – не дать току подняться выше этого значения (абсолютно не обязательно, можно заряжать и 1А и 0.1А. Прим.ред. ). 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 растёт, ток остается постоянным (и задаётся ограничителем блока питания. Прим.ред. ).

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 ёмкости 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 ёмкости и тока заряда, и указывается в документации. Для нашего аккумулятора это приблизительно 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.
(Недостаток такого способа - слишком долгая зарядка, реально 5...8 и более часов. Причина была дана выше. Прим.ред. )

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

Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.

У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():

На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).

Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():

Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().

И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.

Защищенные и незащищенные литий ионные аккумуляторы - в чем их разница? Чем отличается устройство литий ионного аккумулятора с защитой? Можно ли использовать незащищенные аккумуляторы? На эти и другие вопросы Вы найдете ответы в нашей статье.

Уже давно известно, что для надежной и долгосрочной работы аккумуляторным батареям нужна защита. Обеспечить ее можно двумя способами - либо внутри самого аккумулятора, либо с помощью устройств, которые с аккумуляторами работают (в нашем случае - это светодиодные фонари и зарядные устройства). И по вполне понятным причинам - поскольку сделать защиту для аккумулятора существенно проще, чем "научить" фонарь работать с незащищенным аккумулятором - многие производители пошли по пути наименьшего сопротивления и переложили бремя дополнительной стоимости защиты аккумулятора на кошелек покупателя. Но не все компании выбрали этот путь - и в данный момент на рынке уже появились новые высокотехнологичные фонари со встроенной защитой аккумуляторов. А это значит, у нас появилась возможность безопасно использовать и незащищенные батареи. Какие преимущества это нам дает? Давайте попробуем ответить на этот вопрос.

Зачем аккумуляторам вообще нужна защита?

Всем известно, что литий-ионные аккумуляторы нужно беречь от полной разрядки и чрезмерной зарядки. Делается это для того, чтобы не допустить возникновения внутри аккумулятора химической реакции, которая может привести к очень неприятным последствиям. Проще говоря, если аккумуляторные батареи часто «высаживать в ноль» или чрезмерно заряжать, - это их убьет: емкость сильно снизится, а в некоторых случаях химические реакции могут привести и к воспламенению. Поэтому на рынке элементов питания уже давно появились «защищенные» аккумуляторы, в которых установлена специальная плата, отключающая их от устройства в следующих ситуациях:

• если аккумуляторная батарея чрезмерно разряжена (менее 2,8-3В) или, наоборот, заряжена (более 4,2-4,3В)
• если на него подается слишком высокий ток (более 1-8А)
• если литий-ионные аккумуляторы неправильно установлены
• в случае короткого замыкания.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Тут следует оговориться - часто полоса защиты, которая предохраняет от КЗ, выполнена не очень качественно и со временем стирается, а это значит, что и защита теряется. Поэтому и полной гарантии, что таким аккумуляторам короткое замыкание не грозит, нет. На следующей фотографии отчетливо видно, что полоса защиты со временем потемнела, и на батарее появилось черное пятно - это подтверждает тот факт, что при перетирании полосы может произойти короткое замыкание.

И все же, преимущества защищенных аккумуляторов существенно облегчили задачу производителям фонарей и избавили их от необходимости модернизировать свою продукцию. Защищенные аккумуляторы затмили своих незащищенных «братьев» и отодвинули их на задний план. Они стали и остаются до сих пор лучшим вариантом питания для фонарей, не имеющих схем защиты.

Но современные качественные фонари производства наиболее продвинутых и ответственных брендов способны обеспечить защиту и обычным незащищенным аккумуляторам. А это дает нам возможность выбора, что само по себе не может не радовать.

Зачем нам возможность использования незащищенных аккумуляторов?

В фонаре со встроенной системой защиты аккумуляторов мы можем использовать как защищенные, так и незащищенные элементы питания. Чтобы получить полное представление о двух типах литий-ионных аккумуляторов, давайте сравним их по следующим основным параметрам:

• безопасность
• удобство

1. Безопасность

Плата защиты предохраняет литий-ионные аккумуляторы от чрезмерного заряда и разрядки. Что, соответственно, обеспечивает их безопасную эксплуатацию и продлевает срок службы. Именно поэтому с момента появления в продаже данного типа литий-ионных аккумуляторов, производители стали выдвигать их на первый план и расписывать их преимущества. Ведь гораздо проще давать рекомендации - с какими батареями их фонари будут работать лучше, - чем увеличить затраты на производство и гарантировать одинаковую эффективность работы со всеми доступными видами питания.

Но сейчас ситуация немного изменилась. С одной стороны, современные зарядные устройства для литий-ионных батарей снабжены собственной защитой от перезаряда и коротких замыканий. С другой, новые высокотехнологичные светодиодные фонари имеют встроенную защиту от переразряда. Когда заряд падает до 2,5-2,8В система сигнализирует об этом (обычно миганием), яркость падает, и через некоторое время фонарь отключается. Такая защита дает нам возможность с полной уверенностью использовать для их питания и незащищенные аккумуляторы. А это значит, что все те преимущества, которыми изначально обладали защищенные аккумуляторы, уже не имеют такого большого значения. Ведь защита теперь обеспечивается «извне», микросхемами устройств, для которых тип питания уже не имеет никакого значения.

2. Цена

Тоже немаловажный фактор при сравнении любых аккумуляторных батарей. Здесь все просто - цена на защищенные литиевые батареи выше (электронная плата тоже стоит денег). К тому же, использование защитной платы несколько уменьшает заявленную емкость. По сути, за одну и ту же сумму мы можем купить либо незащищенный аккумулятор высокой емкости, либо защищенный, но с емкостью чувствительно ниже. Тут уже каждый выбирает сам, что ему важнее. Конечно, если фонарь и зарядное устройство у Вас старого образца, и Вы боитесь «проморгать» опасный момент, лучше все же обезопаситься и выбрать защищенные аккумуляторы. Но если Вы давно уже обзавелись новыми «игрушками», которые сами защитят ваши батареи, разницы в безопасности для Вас нет. Поэтому, перефразируя известный слоган, можно сказать - «А если нет разницы - зачем платить больше и терять емкость?»

3. Удобство

Здесь, в первую очередь, хотелось бы упомянуть о чисто технологической стороне. А именно - о размере. О размерах можно судить по номенклатуре, например 18650 - это значит, что его диаметр - 18 мм, длина - 65 мм. Последняя цифра (0) указывает на то, что аккумулятор цилиндрический. По этим цифрам можно понять, что защищенные аккумуляторы длиннее обычных на 2-3 мм - из-за размера платы, а иногда еще и чуть шире - в зависимости от толщины полосы защиты.

Литиевый аккумулятор - плата защиты

Об этом упоминается во всех источниках, причем обычно с припиской «но такая разница обычно не мешает». Но, если почитать форумы и обсуждения товаров, можно увидеть, что все-таки мешает, притом сильно. После популяризации защищенных аккумуляторов от первых пользователей сразу же посыпались жалобы на то, что к их фонарю они не подходят - у кого-то слишком длинные, у кого-то шире обычных. Наученные горьким опытом своих предшественников, остальные покупатели сначала пытались узнать, подойдут ли аккумуляторные батареи именно к их фонарю, а потом уже решали - брать или не брать. Не слишком удобно, согласитесь? «Порадовало» и предлагаемое решение проблемы - «в крайнем случае, защиту можно отломать» (советуют, например, ). Т.е., если уж совсем не влезает - ломай и получай обычный. Только вот по цене защищенного…Что тоже очень радует.

А теперь о наиболее важном - об эксплуатации. Есть ли какие-то преимущества в использовании фонаря с незащищенными аккумуляторами? Давайте представим самую простую ситуацию - батарейки разрядились. Что происходит, если в фонаре установлены защищенные батареи? Защита сработает, и фонарь сразу выключится, причем, как зачастую бывает, произойти это может в самый неудобный момент. А если в этот момент вы находитесь в какой-либо экстремальной или опасной ситуации? Такое резкое выключение может оказаться критическим. К тому же, Вы уже не сможете использовать свои аккумуляторы до того, как хотя бы ненадолго не поставите их в зарядное - плата сработала и больше не «даст» Вам воспользоваться аккумуляторами, так как это для них опасно. Зато если Вы пользуетесь фонарем со встроенной защитой и обычными аккумуляторами, Вы заранее будете предупреждены о том, что питание заканчивается. Фонарь не выключится сразу, а переключится в слабый режим. Это даст Вам время «подготовиться» или заменить аккумуляторы. В крайнем случае, когда возможности заменить питание нет, Вы сможете дать незащищенным аккумуляторам «отдохнуть» - часть заряда восстановится, и Вы сможете использовать их еще какое-то время. К тому же, Ваш фонарь проработает без перезарядки дольше - поскольку нет защиты, на которой теряется дополнительная емкость. Конечно, время работы не увеличится намного, но в экстремальных ситуациях даже несколько минут могут сыграть решающую роль.

И что же в итоге?

А в итоге мы имеем следующую ситуацию. Если мы приобретаем фонарь, оборудованный системой защиты аккумуляторов, мы получаем возможность использовать для питания незащищенные литиевые батареи. А это дает нам определенные преимущества:

Экономия денег на элементах питания

Более продолжительное время работы

Возможность заранее узнать о скором выключении фонаря

Использование аккумуляторов стандартного размера, которые подойдут к любому фонарю и зарядному устройству

И при всех этих преимуществах, наши аккумуляторы полностью защищены и безопасны в использовании. Т.е., разница между «внутренней» и «внешней» защитой аккумуляторов все-таки не так уж и мала. И, видимо, не зря производители светодиодных фонарей предоставили нам возможность выбирать способ защиты самостоятельно.