MAX1555. USB зарядное для Li-Po аккумулятора
Опубліковано 23.06.2012
Аккумулятор литий-ионный – штука не новая и о способах его зарядки сказано много. Я опишу практический пример заряда однобаночного (3,7В) Li-Po аккумулятора, используя питание USB- разъема. Зарядка через USB – это наиболее удобный способ для мобильных устройств и приборов.
Но, перед тем как описать схему зарядного устройства, рассмотрим сами аккумуляторы. Существуют простые аккумуляторы, вроде таких:
И аккумуляторы со встроенным контроллером заряда. Выполнен контроллер в виде крохотной платы, припаянной к выводам аккумулятора. Обратите внимание, такие аккумуляторы обычно имеют контакты в виде проводов.
Действительно – это же логично: снабдить аккумулятор контроллером заряда. Пусть чуть дороже, но на сколько меньше хлопот. Но что кроется под этим названием: “контроллер заряда”?
Это всего лишь микросхема защиты аккумулятора от перенапряжения, чрезмерного разряда и короткого замыкания. Суть ее действия проста – при запредельных напряжениях или токе, микросхема выключает транзисторный ключ, отключая от цепи аккумулятор. Иногда на выходе такого аккумулятора бывает напряжение 0В. Не пугайтесь, это не значит, что аккумулятор “умер”. Просто аккумулятор разрядился до нижнего предела и контроллер заряда отключил его. Достаточно его зарядить.
Как заряжать такие аккумуляторы? Ответ: так же как и Li-Po аккумулятор без контроллера заряда. Li-Po аккумулятор с контроллером заряда – это всего лишь аккумулятор с дополнительной защитой. Какой аккумулятор лучше – выбирать Вам. Но Вы должны помнить, что Li-Po аккумулятор боится чрезмерного заряда и чрезмерного разряда. И если проблема с чрезмерным зарядом решается зарядным устройством, то вероятность разрядить аккумулятор ниже допустимого предела, вынуждает применять Li-Po аккумулятор с контроллером заряда.
Таким образом, мы определились, что оба варианта Li-Po аккумуляторов – и с контроллером заряда и без него – требуют специального зарядного устройства. Что же будет если Li-Po аккумулятор тупо воткнуть к 5В питания USB ? Вы будете удивлены, но аккумулятор зарядится! Хотя при этом процесс зарядки нормальным не назовешь, и при такой зарядке аккумулятор долго жить не будет. Причем Li-Po аккумулятор с контроллером заряда при полном заряде отключится (сработает защита). Хотя к этому времени аккумулятор изрядно разогреется, ничего страшного, может, и не произойдет. А вот без контроллера заряда аккумулятор может окончить жизнь в яркой вспышке, и сжечь Ваш компьютер, или куда Вы там его воткнете, вместе с домом/офисом/заводом.
Существует дешевый “китайский” способ заряжать Li-Po аккумулятор (но только с контроллером заряда!) через токоограничивающий резистор. А параллельно резистору включать светодиод. Светодиод гаснет при полном заряде. Т.е. когда сработает защита. Такой способ применяется в детских китайских игрушках, когда движущаяся/летающая/плавающая игрушка заряжается от батарей блока дистанционного управления. Такой способ подойдет, если Ваш дядя работает на аккумуляторном заводе, и у Вас этих аккумуляторов “ну просто завались”(с). Мы его тоже отвергаем, хотя… нет: все же отвергаем. Мы же не китайцы и дяди на аккумуляторном заводе у нас нет! А пользователей наших устройств мы любим, поэтому, заряжать Li-Po аккумулятор мы будем правильно.
Простая схема зарядки Llipo аккумуляторов:
Для этого берем специальную микросхему и включаем ее так, как указано в . Обратите внимание, что микросхема имеет два входа – USB (3.7-6В) и DC (3.7-7В) для подключения блока питания ПОСТОЯННОГО тока. Т.е. как минимум выпрямленного.
Я сделал небольшую тестовую платку для . Светодиод светится пока идет заряд и тухнет, когда зарядка аккумулятора завершена. Если аккумулятор не подключен, то светодиод не горит.
В итоге имеем миниатюрное зарядное устройство для Li-Po аккумуляторов. Такую схему можно встроить на плату своего прибора и заряжать его от USB . В сочетании с Li-Po аккумулятором с контроллером заряда получаем прибор с полной защитой Li-Po аккумулятора и правильным зарядным. Долгих тебе лет службы, Li-Po !
Одним из самых принципиальных критериев корректной работы, хорошей эффективности и долгого срока эксплуатации аккумуляторной батареи считается её правильный заряд. Это касается полностью всех аккумуляторов, будь то массивные промышленные немаленькой емкости, или же крохотные батарейки в Ваших планшетах или телефонах.
Большая часть аккумуляторных батарей обладают так называемым "эффектом памяти" в той ли иной степени. Он выражается в том, что батарейки "запоминают" пределы эксплуатируемой емкости.
По данной причине, фактически, и ведется подготовительная тренировка батарей. В связи с наличием вышеперечисленного результата, не рекомендовано заряжать еще не севшие до конца батарейки.
В данном случае аккумуляторные батарейки помимо прочего "запомнят" пределы, до которых им предоставляется возможность доходить.
Итогом станет сокращение физической емкости батарей, их стремительная разрядка, недолговечность службы.
При приобретении новых аккумуляторных батареек рекомендовано произвести их "тренировку". Она заключается в полном разряде/заряде самой батарей. Говоря проще, необходимо разрядить батарейки, после этого зарядить их "до упора". Процесс повторяется 3-4 раза.
В последствии таковой процедуры батарейки прослужат существенно дольше. При всем этом вы как будто "разгоняете" их, повышаете потенциальную емкость до пределов.
Чем меньше раз разряжается аккумулятор и чем менее глубоким является каждый отдельно взятый его разряд, тем большим будет срок его службы.
Как можно зарядить аккумулятор?
- Оптимальный вариант - зарядка постоянным током 0.1 - 0.2 С в течение 6-8 часов.
- Быстрый заряд - в течение 3-5ч. током примерно треть от номинального.
- Ускоренный заряд - выполняется током равным величине номинальной емкости самого аккумулятора, возможен разогрев и разрушение элемента.
Стандартно принято щитать что их напряжение 3.7 вольта, но один элемент может иметь напряжение в пределах 2.5(разряженный) - 4.2вольта и это как правило максимум.
В среднем их ресурс 1000 - 1500 циклов заряд-разряд
Как правило если такую батарею разрядить ниже 2.5 вольт или зарядить больше 4.2 вольта - батарея выходят из строя. Чтоб защитить от этого в большинстве аккумуляторов такого типа присутствует плата защиты которая отключает аккумуляторную банку при выходе напряжений за пределы нормы.
Устройство для зарядки должно уметь заряжать аккумуляторы до 4.2 вольта и автоматически отключать заряд.
Более новый разновид литий-ионных аккумуляторов с большей плотностью энергии и меньшим размером (толщина элемента от 1мм! при значительной гибкости). Использование до минус 20 градусов. И полное отсутствие "эффекта памяти".
Аккумуляторы такого типа взриво- и пожаро-опасны, при перезаряде, быстром разряде или замыкании элемента. Поэтому все элементы снабжаются встроенной платой контролера заряда и разряда.
Количество рабочих циклов в раене 900 полных заряд-разрядов. Следует заметить что глубокий разряд может полностью вывести батарею з строя. Рекомендуется разряжать такие аккумуляторы не более чем на 40% от их максимальной емкости.
Зарядка производится напряжением 4.2 вольта на элемент, током в 1C и завершается процесс зарядки при токе 0.1-0.2С. Время заряда примерно 2 часа.
Срок службы, примерно 200-500 циклов заряд-разряд. Саморазряд: 100% в год.
В незначительной степени аккумулятор владеет "эффектом памяти", это значит что если аккумулятор длительное время, месяц - два, не использовался, то ему нада сделать полный цикл разряда - заряда.
Заряд с малым током продлевает срок службы аккумулятора, поэтому самым оптимальным режимом работы будет заряд током в 0.1 от номинальной емкости батареи.
Время заряда - 15-16 часов, по инструкции производителей.
Заряд таких аккумуляторов лучше делать с помощью постоянного или импульсного тока с очень короткими импульсами отрицательного значения (асимметричный ток) - это поможет исключить проблемы с "эффектом памяти"
Напряжение заряда на элемент - 1.4 - 1.6 вольт, а напряжение полностью заряженного элемента - 1.4 вольта. Разрядку производить до 0.9 вольта, ниже нежелательно.
В большинстве выпускается в виде пальчиковых батареек и малогабаритных дисковых аккумуляторах (таблетках)
Напряжение питания одного элемента - 1.37 вольт
Саморазряд у этого типа - примерно 10% в месяц.
Они подвержены "эффекту памяти" и такие аккумуляторы не рекомендуется использовать в буферном режиме. После длительного бездействия такого аккумулятора, нужно произвести цикл заряд-разряда током примерно номинальной емкости. Цикл разряда с 1.36 вольт до 1 вольта, ниже не рекомендуется.
Номинальный ток зарядки в пределах 0.1-1 от номинальной емкости элемента.
Может использоваться при температурах до минус 50 градусов.
Pb (свинцово-кислотный) аккумулятор
Наиболее распространенный вид аккумуляторной энергии.Самый безопасный способ зарядки выглядит так, сначала аккумулятор заряжается постоянным током, а после получения нужного напряжения, на аккумуляторе поддерживают это напряжение.
Максимальная величина зарядного тока 0.2 - 0.3 от номинальной емкости аккумулятора. Оптимальный ток заряда это 10% от номинального, оно и безопасно и щадительно для аккумулятора.
Максимальное напряжение заряда не должно превышать 13.8 вольт. При быстром заряде допускается до 14.5 вольт.
Общее время полного заряда должно быть в раене 5 - 6 часов.
Минимальная температура заряда не ниже -15° C
AGM аккумулятор
В отличии от свинцово-кислотных, в них содержится абсорбированный электролит, а не жидкий как в кислотных, эдакие стекло тканевые прокладки между свинцовыми пластинами пропитаны электролитом. И это дает им ряд преимуществ: устойчивость к большим вибрациям, уверенная эксплуатация даже при минус 30 С хотя напряжение немного проседает, герметичная конструкция и более безопасная зарядка.Число полных циклов заряда-разряда от 500 до 1000 в зависимости от марки модели.
Сверх-компактная зарядка для литиевых аккумуляторов как 1S (3.7В/4.2В), так и 2S (7.4/8.4В) — в первую очередь, для всевозможной фото-видео техники и разных фонариков, не имеющих своей собственной встроенной в «тушку» зарядки (а также для зарядки дополнительных аккумуляторов). Диапазон входных рабочих напряжений 5-18В (требуется, чтобы на входе напряжение было минимум на 1В выше, чем напряжение на заряжаемом аккумуляторе).
Ток заряда:
- для 3.7В — 0.75А
- для 7.4В — 1А
Эти токи заряда оптимально-универсальны (а главное, безопасны!!!) для подавляющего большинства аккумуляторов всяких фото-видео камер.
Для оценки габаритов на фотографии лежит рублевая монета:)
Влагозащищенное исполнение. Защита от короткого замыкания и перепутки полярности (реально работает — я сам проверял! :)
Для «подлезания» к контактам аккумулятора используются настраиваемые зажимные контакты от «кетайской лягушки». Есть возможность (при затрудненном «подлезании» из-за конструкции аккумулятора) поменять местами плюс и минус контактов «лягушки».
Ну и, естественно, всегда остаются варианты подключиться к контактам аккумулятора «альтернативно», например, зафиксировав проводники с помощью резинки или изоленты:)
Для аккумуляторов с «очень хитросделанными» контактами (а это, как правило, аккумуляторы Sony) дополнительно прилагается разъемчик с проводками для того, чтобы слегка «модернизировать» исходное зарядное устройство — подпаять этот разъем к выводным контактам оригинальной зарядки.
Переключение между 3.7В и 7.4В делается размыканием или замыканием проводочка (см. фото). Состояние замкнуто — 7.4В, разомкнуто — 3.7В (эта информация также «нарисована» на плате, для забывчивых:)
Выходной разъем с платы (который к аккумулятору) сделан мною совместимым со всем семейством универсальных зарядников типа iMax (разъем «папа» типа DEANS , он же T-Plug ) — т.е. можно в домашних условиях (и в машине) использовать iMax (с теми же «лягушечными» и прочими контактами), а в чисто походных — для легкости и компактности, просто взять эту платку вместо iMax, размером чуть больше рублевой монетки:)
Важное примечание:
У этой платы зарядника есть одна особенность (это, скорее, не «баг», а «фича» — но таки нужно учитывать) — у нее ОЧЕНЬ медленная самая заключительная часть зарядки (CV — Constant Voltage). Грубо говоря, примерно до 98% емкости аккумулятора зарядка идет вполне шустренько (в рамках обозначенных токов), а вот финальная «добивка» — происходит уж оооочень медленно! Т.е. от того момента, когда аккумулятор по факту уже заряжен, и до загорания светодиодного индикатора, сигнализирующего о конце заряда, может пройти весьма много времени!
А в некоторых случаях (в основном, это касается аккумуляторов 7.4В от фото-видео) можно и вообще не дождаться загорания светодиода — как, например, в аккумуляторе моей пентаксовской зеркалки… Дело в том, что в ее аккумуляторе стоит плата балансировки, «стравливающая» напряжение до 8.3В — в то время, как плата зарядки дожидается установления 8.4В:) И в итоге, она так его и не дожидается… :)
Как с этим бороться? Да очень легко!
Во-первых, можно просто прикинуть время зарядки (а ток зарядки нам известен, емкость аккумулятора тоже — на нем написано). Например, заряжаем аккумулятор напряжением 7.4В (обозначения 7.2В или 8.4В — это все тоже самое:) и емкостью 1600mAh. Соответственно, при токе зарядки около 1А, аккумулятор можно считать заряженным примерно через полтора часа.
Во-вторых, можно просто прикоснуться пальцем к дросселю на плате зарядника (это такая большая квадратно-круглая деталь на плате, самая крупная из всех деталюшек:) Если он тепленький на ощупь, значит еще продолжается активная зарядка. А вот если его температура мало отличается от общей температуры всей платы (пальцем явно не ощущается), значит активная зарядка закончилась, и можно смело отсоединять аккумулятор.
Здесь главное помнить простую истину: небольшой недозаряд для литий-ионных аккумуляторов не только никак не вреден, но все обстоит ровно наоборот, он весьма полезен для увеличения их срока службы!!!
Так что ничуть не бойтесь литиевые аккумуляторы недозаряжать, опасайтесь только перезаряда (к счастью, эта плата зарядки такое не позволит сделать:)
Первой компанией, кто запустил в серийное производство перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор большой емкости стала Sony, при этом срок службы батареи стал значительно продолжительней, чем его имел никель-кадмиевый аналог.
К сожалению, у первых моделей был существенный недостаток, который проявлялся тем, что при высоком токе разряда литиевый анод воспламенялся.
На устранение этой проблемы потребовалось около 20 лет, решением стал контроллер, который не позволяет образовываться чистому литию на аноде аккумулятора литий-ионного типа.
Современные модели надежны и безопасны, они постепенно вытеснили с рынка никель-металлгидридные и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в портативных устройствах, их устанавливают в качестве источника питания ноутбука, фотоаппарата, мобильного телефона и т.д.
Единственная ниша, в которой аккумуляторы литий-ионного типа уступают никель-кадмиевым — это устройства, работа которых требует высокий ток разрядки, например, для шуруповертов. Такой тип батарей называется промышленный.
Отдельно стоит упомянуть об элементах Li-Pol. Единственное отличие от литий полимерного аккумулятора заключается в том, что в базовой основе используется другой электролит, при этом принцип действия, особенности и характеристики этих видов практически идентичны.
Особенности
Любой тип источников питания обладает своими преимуществами и, соответственно, недостатками, литий ионные аккумуляторы только подтверждают эту аксиому. Рассмотрим подробно их характерные особенности.
К числу достоинств, несомненно, можно отнести:
- низкие параметры саморазряда;
- если взять единичный элемент литий-ионного аккумулятора, размеры которого равны батареям другого типа, то заряд у него будет больше (3,7V, в отличие от 1,2V). Благодаря этому стало возможным существенно упростить и облегчить элемент питания;
- отсутствует такой параметр, как память питания, то есть батарея не требует регулярной разрядки, чтобы восстановить мощность (емкость), что упрощает эксплуатацию.
Говоря про преимущества, которыми обладает данный аккумуляторный элемент, нельзя не учитывать определенные недостатки , к которым относятся:
- встроенный «предохранитель», то есть плата защиты, задача которой ограничивать напряжение питания при заряде и не допускать полного разряда аккумулятора, помимо этого сглаживается максимальный ток, а также контролируется температура. Из-за этого цена на литий-ионные аккумуляторы выше, чем у аналогов;
- несмотря на восстановление аккумуляторов литий-ионного типа, они подвержены «старению», даже в том случае, если хранить их в соответствии с правилами эксплуатации. О том, как притормозить данный процесс, пойдет речь ниже, где будет рассматриваться эксплуатация и ее особенности.
Видео: обзор, вскрытие литий-ионного аккумулятора от мобильника
Форм-фактор
Литий ионные аккумуляторы выпускаются двух форм-факторов – цилиндрический и таблеточный.
Во многих устройствах используется несколько соединенных аккумуляторов литий ионного типа, например, чтобы достичь напряжения 12V или увеличить ток разрядки, это необходимо учитывать, если вы хотите купить подобное устройство (как правило, тип соединения указан на корпусе).
Как правильно заряжать
Существуют правила, благодаря которым можно существенно продлить срок службы аккумуляторов литий-ионного типа.
Правило первое: нельзя допускать полной разрядки, благодаря этому можно увеличить количество циклов, при которых происходит зарядка и разрядка. Заряжая батарею на 20%, можно значительно продлить ее срок эксплуатации, как минимум вдвое. В качестве примера приведем таблицу зависимости циклов подзарядки, в зависимости от глубины разряда аккумулятора.
Правило второе: с периодичностью один раз в три месяца требуется производить полный цикл (то есть полностью разряжать и заряжать), благодаря этому процесс «старения» батарей существенно замедляется.
Правило третье: нельзя хранить аккумулятор литий-ионного типа полностью разряженным, желательно, чтобы батарея была заряжена на 30-50%, в противном случае восстановление его емкости не представляется возможным.
Правило четвертое: для зарядки батареи пользуйтесь оригинальным зарядным устройством, которое шло в комплекте от производителя, этого требует разница исполнения защитной схемы аккумулятора. То есть, например, батареи HTC, En-El, Sanyo, IRC, ICR, Lir, Mah, Pocket, ID-Security и т.д. нежелательно заряжать устройством для аккумуляторов Samsung.
Правило пятое: нельзя допускать перегрева аккумулятора, эксплуатировать литий-ионное устройство можно при температуре окружающего воздуха в пределах от -40 до 50 °C. При нарушенном температурном режиме восстановить батарею или произвести ее ремонт не представляется возможным, потребуется только ее замена.
Отдельно необходимо подчеркнуть, что аккумуляторные батареи известных брендов значительно превосходят по характеристикам аналоги неизвестных производителей. Можете не сомневаться, что батареи DMW-BCG, VPG-BPS, SAFT, а также оригинальные модели, например, BL-5C, BP-4L (Nokia), D-Li8, NB-10L (Canon), NP-BG1 (Sony) или LP243454-PCB-LD будут однозначно лучше китайских аналогов.
Самодельное зарядное устройство
При желании можно сделать своими руками устройство, которое послужит для зарядки аккумуляторов литий-ионного типа, его схема изображена ниже.
Обозначения на рисунке:
- R1- 22Ом;
- R2 – 5,1кОм;
- R3- 2кОм;
- R4 -11Ом;
- R5 – 1кОм;
- RV1 – 22кОм;
- R7 – 1кОм;
- U1 – стабилизатор LM317T (обязательно установить на радиатор с большой площадью рассеиванья);
- U2 – TL431(регулятор напряжения);
- D1, D2 – светодиоды, можно использовать smd типа, первый, сигналитзирующий о начале процесса зарядки желательно выбрать красным, второй — зеленым;
- транзистор Q1 – BC557;
- конденсаторы C1, C2 – 100n.
Входное напряжение на схему зарядки аккумуляторов литий-ионного типа должно быть от 9 до20В, для этой цели можно переделать импульсный блок питания. Мощность резисторов необходимо подобрать следующую :
- R1 – минимум 2Вт;
- R5 – 1Вт
- остальные не менее 0.125Вт.
в качестве переменного резистора RV1 желательно взять CG5-2 или его импортный аналог 3296W. Такой тип позволяет более точно выставить выходное напряжение, которое должно быть около 4,2В.
Принцип, по которому работает схема зарядки следующий:
При включении идет зарядка батареи, величина тока зависит от резистора R5 (в нашем случае он будет на уровне 100мА) напряжение зарядки в пределах от 4,15 до 4,2В, о начале процесса просигнализирует диод D1 . Когда аккумулятор приблизится к порогу зарядки, произойдет снижение тока нагрузки, что приведет к выключению светодиода D1 и включению D2.
Заметим, что при снижении напряжения примерно на 0,05-0,1В можно существенно увеличить срок эксплуатации аккумулятора, поскольку он будет заряжаться не до конца.
Контакты для блока зарядки, через который будет подключаться аккумулятор, можно взять со сломанного устройства, перед этим не забудьте их почистить.
Необходимо обратить внимание, что при неправильной настройке, например, завышенном напряжении или токе зарядки, можно вывести элемент питания из строя.
Производство зарядного устройства обходится значительно дешевле, чем цена на литий-ионный аккумулятор, будь это город Москва или СПб, поэтому экономить (учитывая как развита их продажа), рискуя вывести батарею из строя, используя самодельный прибор, не имеет смысла.
