Реинкарнация «народной» платы TP4056 или самодельная зарядка для лития на 3А

Большая часть бытовых электроприборов функционируют на основе li-ion аккумуляторов, поэтому как правильно заряжать литий ионные аккумуляторы и как их использовать, надо знать всем ответственным владельцам. В наибольшей степени такие батарейки получили большую распространенность из-за своих маленьких габаритов и хорошего сбережения энергии.

В нашей статье мы подробно расскажем о том, как заряжать литий ионный аккумулятор правильно, какая имеется схема восстановления энергии, по каким правилам осуществляется контроль процедуры, каким током заряжать li ion аккумулятор, сколько времени выполняется зарядка литиевых аккумуляторов, а также можно ли заряжать АКБ обыкновенной зарядкой.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

Среди батареек, которые выполнены на основе ионов лития, наибольшую распространенность имеет тип 18650. Область его использования довольно большая: эти компоненты используются в АКБ шуруповертов, смартфонах, планшетах, стационарных телефонов, для питания электросигарет или обычных фонариков.

Кроме того, в настоящее время, набирает популярность преобразование никель кадмиевой батареи шуруповерта на литий ионные аккумуляторы. Используется этот тип во многом из-за того, что они функционируют намного дольше компонентов предыдущего поколения.

Чтобы работать с таким типом АКБ нужно знать, как заряжать литиевый аккумулятор правильно и как контролировать такую процедуру. Зарядка литий ионных аккумуляторов выполняется при помощи схемы, а осуществляют контроль над ней вспомогательные платы.

Общие сведения о литийионных аккумуляторах

Литиевые аккумуляторы появились относительно недавно, но уже прочно заняли ведущие позиции в электропитании автономных устройств. Конструктивно такой источник питания представляет собой два электрода — катод и анод. Первый выполнен из того или иного соединения лития (обычно кобальт-литий или литий-феррофосфат), второй — из графита. Электроды погружены в безводный раствор электролита. Бывают разные форм-факторы и типоразмеры батареек этого типа. Наиболее распространённые форм-факторы литийионных аккумуляторов — цилиндрический и прямоугольный.

Прямоугольные элементы можно увидеть в устройствах малой толщины — мобильных телефонах, смартфонах, планшетах и т. п. Обычно в батареях такой формы в качестве электролита используют полимерный материал, а сами аккумуляторы называют литий-полимерными.

Выходное напряжение всех литиевых аккумуляторов меняется от 4,2 до 2,5 В в зависимости от степени зарядки и в среднем составляет 3,7 В. Электрическая ёмкость же бывает разной – от десятков миллиампер в час (мА·ч) до десятков ампер в час (А·ч). Зависит от назначения источника питания и его размеров.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Важно! Речь идёт о единичных аккумуляторах. Батареи, составленные из нескольких элементов, могут иметь любое напряжение и любую ёмкость. Например, батареи электромобилей имеют напряжение до 380 В при ёмкости в сотни киловатт-час, а батарея ноутбука выдает 12,6 В.

Срок службы литиевого аккумулятора зависит от условий эксплуатации и обычно составляет 2–3 года при количестве циклов заряд/разряд до 600 у литийионных и до 900 у литий-полимерных батарей. Основные качества аккумуляторов этого типа:

• большая плотность энергии на единицу массы;
• низкий саморазряд;
• отсутствие эффекта памяти;
• не требуют обслуживания;
• теряют работоспособность при перезарядке и глубоком разряде;
• взрывоопасность при перегреве.

Двухступенчатая схема зарядки

Такая схема считается лучшим методом выполнения заряда li ion аккумуляторов. Здесь схема контроллера имеет большую нагрузку, но она никаким образом не влияет на эксплуатационный срок АКБ.

Выполнение 1-ой стадии зарядки для li-ion АКБ зависит от насыщения зарядного тока. Расчетное значение тока – от 0,2А до 0,5А, а мощность 12,6В. Стабильный ток заряда выполняется благодаря функционированию зарядника, который увеличивает потенциалы батареи. При достижении значения в 4,2В АКБ имеет степень заряженности в 70%. На этом 1-ая стадия зарядки литиевых батареек завершается.

Вторая стадия имеет постоянное напряжение и поэтапно уменьшающийся ток заряда. Прибор поддерживает вольтаж на уровне от 4,15В до 4,25В и контролирует параметр тока. Чем больше значение, тем меньше будет величина тока. Параметр от 0,05А до 0,01А говорит о завершении процедуры.

Чем измерять ёмкость аккумуляторов

В процессе эксплуатации, как мы выяснили, ёмкость литиевой батарейки постепенно уменьшается и со временем значение, указанное на корпусе, не будет соответствовать реальному положению вещей. Как определить реальную ёмкость аккумулятора в домашних условиях? Один из вариантов — использовать специальный универсальный прибор «Аймак», вмещающий интеллектуальное зарядно-разрядное устройство, тестер, вольтметр, амперметр и многое другое.

Вариант неплохой, но его не назовешь бюджетным. Прибор дорогой, а нужен он относительно редко. Гораздо проще для этих целей воспользоваться USB-тестером. Стоит он намного меньше, а точность измерения у устройства вполне приличная.

Чтобы измерить реальную ёмкость батарейки, её необходимо полностью зарядить, а затем разрядить через ту или иную нагрузку, включив между элементом и нагрузкой тестер. При этом вход прибора подключают к элементу питания, а выход — к нагрузке, в качестве которой можно использовать полуваттный резистор сопротивлением 8–16 Ом.

USB-тестер для своего питания требует напряжение величиной 5 В (на то он и USB), но отлично работает и при напряжении до 2,5 В. Так что использовать его для измерения ёмкости одной литиевой ячейки будет возможно.

Как контролируют параметры зарядки

Чтобы узнать, как правильно заряжать ионные батареи, необходимо уметь контролировать показатели зарядки. Так как литий ионные АКБ функционируют в малом диапазоне изменения напряжения, то поэтому они нуждаются в контроле. Лучшим значением этого параметра является от 3В до 4,2В.

Схема контроллера устанавливается в ЗУ, но каждая батарейка обладает индивидуальным трамблером и системой защиты. Если возникнет какое-нибудь нарушение, то система защиты сразу же выполнит отключение неисправной банки.

Схема также предназначена для выполнения следующих операций:

• перевод в режим CC/CV;
• контроль подачи энергии в аккумуляторных батареях;
• подача тока, предотвращающая саморазряд;
• измерение температуры, что способствует недопущению перегрева АКБ;
• отключение зарядки.

Подзарядить батарею без такой схемы возможно только при применении резистора, который необходимо подключить последовательно с прибором. Изготовить контроллер можно также самостоятельно, только необходимо заранее рассчитать ток заряда, сопротивление, а также мощность.

Что такое плата зарядки TP4056 и как ею пользоваться

Как правильно заряжать литийионные батарейки, мы узнали. Но чем это сделать? Можно воспользоваться покупным зарядным устройством, но если есть желание, то реально собрать зарядку для литиевых аккумуляторов самостоятельно. Для этого достаточно будет купить готовый модуль TP4056 и собрать несложную схему.

Модуль зарядки литиевой ячейки TP4056 1 А

Прелесть такого решения ещё и в том, что стоит всё удовольствие на том же Aliexpress около 30 рублей. Чтобы на базе этого модуля собрать готовое устройство, необходимо собрать следующую несложную схему.

По умолчанию, такой модуль выдаёт ток зарядки 1 А и подойдёт для зарядки аккумуляторов ёмкостью 2 000—3 000 мА·ч. Если нам нужен меньший ток, то достаточно изменить номинал резистора R3 в соответствии с таблицей:

В принципе, током 1 А можно заряжать аккумуляторы и большей ёмкости, но времени это займёт больше. Но если всё же нужен ток более 1 А, то будет несложно его увеличить, соединив несколько модулей параллельно. Для этого просто соединяем перемычками одноимённые выводы модулей.

Полезно. Можно поступить проще, просто купив модуль, обеспечивающий зарядный ток до 3 А. Правда, обойдётся это несколько дороже, но конструкция получится более компактной и простой в сборке.

Как зарядить литиевый аккумулятор 12 вольт

Чтобы узнать, как зарядить АКБ с напряжением 12 вольт, необходимо для начала выяснить, что же из себя представляет это устройство, а также какие имеет особенности и характеристики. Все АКБ, выполненные на основе ионов лития, представляют собой непроницаемую конструкцию, изготовленную в форме цилиндра либо призмы. Каждая батарейка имеет напряжение от 3,6В до 4,2В и разную энергоемкость.

Однако имеется одна особенность, если соединить 3 батарейки друг за другом, то получится аккумулятор с напряжением от 10,8В до 12,6В. В этом случае энергоемкость измеряется по самой слабой литионной банке.

Для восстановления энергоемкости устройства нужно применять зарядное устройство, которое оснащено контроллером. Также нужно иметь модуль управление (РСМ) для всех батареек и систему защиты от пере- и недозаряда. Кроме того, имеется также другая система защиты аккумуляторов – РСВ. Ее лучше устанавливать с балансирами, чтобы зарядка батареек происходила равномерно.

На ЗУ нужно установить напряжение, на котором будет функционировать АКБ (12,6В). На заряднике необходимо также задать число батареек и ток, который будет использоваться.

Способы восстановления энергоемкости литиевых аккумуляторов:

• Применять разъем USB от электроприборов или компьютера. В таком случае можно получить ток заряда, равный 0,5А, но так восстановление энергоемкости будет выполняться намного дольше.
• От прикуривателя машины. Для выполнения этой процедуры надо приобрести специальный переходник, который может работать с 12В АКБ.

Эксперты рекомендуют применять для подзарядки литиевых АКБ только оригинальные ЗУ, поскольку использование внешнего зарядника сомнительного качества может плохо сказаться на функционировании аккумулятора.

Небольшой пример сборки своего зарядника на 3А:

В качестве примера приведу пример постройки своего зарядного устройства из проверенных недорогих компонентов. Что нам для этого понадобится:
1)

Непосредственно сама обозреваемая плата TP4056*:

2)

Холдер/держатель* для аккумуляторов:

Вот такие холдеры ни в коем случае не применяйте, 3А для них много:

Можно попробовать переделать дрянную зарядку, выпаяв все кишки:

Я рекомендую первый вариант, т.к. они с легкостью выдерживают 3А, ибо контакты на порядок лучше, да и имеют паз для провода.

3)

Любой подходящий разъем: DC port* (поставляется в комплекте с платой), USB (не очень желательно), Molex* (при питании от компьютера), силовые модельные или автомобильные разъемы (какие найдутся под рукой):

В крайнем случае, можно вывести просто два провода и гонять все хозяйство на скрутке, как в моем случае, :-).

4)

Качественный медный многожильный провод*:

Нужен именно медный, а не омедненный. Определить легко – зачищаем ножом и если жилки начинают блестеть и не лудятся, значит, провод омедненный (алюминий покрытый медью). Рекомендую либо качественный акустический, либо бытовые, типа ШВВП.

5)

Блок питания (БП) на 5V на 5-6A (с запасом). Я использовал БП S-30-5 на 5V/6A*:

Можно применить часто встречающийся БП на 12V на 2-3A, которые идут в комплекте к различным устройствам и понижающий DC-DC преобразователь на 5А (3А они стабильно держат). Но здесь есть пара минусов, ибо усложняется схема и повышается себестоимость зарядника. Поэтому, если нет в наличии подходящего БП, то используем БП компьютера. Дополнительная нагрузка в 15Вт ему не страшна, если, конечно, он и так не работает на пределе своих возможностей. Если есть в наличии свободный Molex разъем, то подцепить к нему переходник не составит труда. В таком случае нам нужны красный (+) и черный (-) провода.

Сколько заряжать литиевый аккумулятор

Продолжительность зарядки батареи, в том числе и в первый раз, определяется процедурой восстановления энергоемкости.

Энергоемкость измеряется в а/ч. Это означает то, что если дать заряд, соответствующий значению емкости, то за 1 час образуется необходимое значение напряжения, а степень заряженности будет равна 75%. Продолжительность подзарядки в быстром режиме займет 1 час.

Для полноценного цикла подзаряда аккумуляторов из нескольких компонентов, подключенных последовательно, применяют два режима – CC и CV. Первый режим продолжается, пока напряжение не достигнет рабочего параметра. Второй режим: при постоянном напряжении на батарею поступает ток, но с увеличением заряда, он приближается к 0. На выполнение восстановления энергии уходит 3 часа, вне зависимости от энергоемкости устройства.

Тестирование платки 4*TP4056 3A:

Теперь протестируем платку. Действительно ли она заряжает 3А? Для этого нам поможет ампервольтметр, который частенько мелькает в моих обзорах (замер тока заряда) и привычный мультиметр (замер напряжения на аккумуляторе). В качестве источника питания – импульсный БП S-30-5 на 5V/6A:

Как видим, заряд действительно идет постоянным током 3А (фаза СС), пока напряжение на банке не превысит 3,9V-3,95V, затем начинает плавно снижаться (начинается фаза CV). Как только напряжение на банке равняется 4,2V, цвет светодиода меняется на зеленый, означая, что заряд окончен. Хотя из-за инерционности ток продолжает еще течь:

После этого еще 10-15 минут ток снижается, при этом напряжение на аккуме 4,21V. Как только ток снизится до 150ма, контроллер полностью отключает заряд, напряжение на банке скидывается до 4,2V.

Практически «выжатую» банку Sanyo UR18650ZY 2600mah модуль зарядил за 75-80 минут. Ну что же, просто великолепно!

Можно ли заряжать литиевый аккумулятор обычной зарядкой

Литий ионные и свинцово-кислотные АКБ нуждаются в особом подходе к заряду. Щелочные модели не столь требовательны к параметрам, как ионные.

Для подзарядки на 1-ой стадии литий ионные аккумуляторы нуждаются в стабильном зарядном токе, а на 2-ой стадии в стабильном напряжении. Если не выполнять контроль 1-го показателя, то может произойти перезаряд. Однако если в аккумуляторе имеется встроенная система защиты от перезаряда (BMS), то осуществлять контроль не обязательно.

В щелочных батареях основным параметром является постоянное напряжение.

В настоящее время начали изготавливать универсальные ЗУ, которые могут самостоятельно выбирать необходимый режим заряда.

Размеры платки:

Платка совсем небольшая, всего 65мм*15мм:

Вот сравнение с «народной» платой TP4056 на 1А, 18650 аккумулятором и холдером:

При необходимости можно откусить переднюю часть платы, на которую впаивается DC разъем и припаяться к контактам 5V+ или 5V-, либо напрямую к соответствующим дорожкам:

Так длина платки станет на 1 сантиметр короче. Ранее я уже переделывал народную платку, вот что получилось:

В нашем случае все просто до невозможности, ибо дорожки на печатной плате не страдают. Разумеется, кому необходим DC разъем – оставляем, либо подпаиваем его через провода к контактам 5V+ или 5V-. Разъемы microUSB и miniUSB здесь нежелательны, будут сильно греться, ибо не рассчитаны на такие токи. Да и незачем они, ибо в большинстве адаптерах стоит ограничение на 2,5А. Но с другой стороны, если адаптер не отключается при перегрузке, то мы экономим на дискретном блоке питания, ну и ток будет чуть меньше. Поэтому, решать вам…

Характеристики модулей TP4056 с защитой аккумулятора и без защиты

Модули TP4056 с защитой и без отличаются только функцией защиты аккумуляторов, а характеристики, касающиеся заряда литиевых аккумуляторов у них идентичные. Естественно, габариты у них тоже отличаются.

Характеристики модуля TP4056 без защиты: Рекомендуемое входное напряжение: 5 В Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%) Размер платы: 23 мм x 17 мм Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен

Характеристики модуля TP4056 с защитой: Рекомендуемое входное напряжение: 5 В Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА Напряжение отключения аккумулятора при разряде: 2.5 В Максимально допустимый ток разряда: 3 А Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%) Размер платы: 27 мм x 17 мм Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен

Подключение модуля заряда TP4056 с защитой и без защиты

Подключение модулей TP4056 с защитой и без защиты к источнику питания и к аккумулятору, а также в последствии к потребителю, немного отличается. Плата заряда без защиты имеет четыре вывода, два для входного напряжения и два для подключения аккумулятора, а также разъем для подключения питания. Питание подается на IN+ и на IN-, а аккумулятор подключается к выводам BAT+ и BAT-.

У модуля TP4056 с защитой выводов больше, так как здесь аккумулятор и нагрузка подключаются на разные выводы. Питание подается на IN+ и на IN-, аккумулятор необходимо подключать к B+ и B-, а нагрузка подключается к выводам OUT+ и OUT-. При этом выводы B+ и OUT+ совмещенные.

Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой и без

Типовая принципиальная схема модуля TP4056, которую можно найти в datasheet, предусматривает подключение датчика температуры, для измерения температуры аккумулятора.

Продаваемые на АлиЭкспресс модули TP4056 не предусматривают возможности подключения датчиков температуры, но при желании можно все-же подпаяться в нужные места на плате. Вот принципиальная схема модулей TP4056 с AliExpress.

Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой дополняется еще схемой защиты.