Зарядное устройство для литиевых аккумуляторных батареек 18650 своими руками

Аккумуляторы играют важную роль в любом механизме, работающим не от сети. Перезаряжаемые аккумуляторные батареи стоят довольно дорого, из-за того, что вместе с ними нужно приобретать зарядное устройство. В аккумуляторных батареях используются разные комбинации проводниковых материалов и электролитов – свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионполимерные (Li-Po).

Я использую литий-ионные аккумуляторы в своих проектах, поэтому решил сделать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, а не покупать дорогое, так что приступим.

Как сделать зарядку для литий-ионных аккумуляторов самостоятельно

Наиболее простым вариантом считается использование зарядного устройства от мобильного телефона. Приборы выдают напряжение, подходящее для восстановления мощности аккумуляторов 18650. Способ используется только в экстренных случаях. Частое его применение приводит к снижению емкости АКБ.

Самодельная зарядка для литий-ионного 18650-го аккумулятора, сделанная из старого зарядного устройства от телефона.

Чтобы зарядить батарейку, выполняют такие действия:

Для сборки усовершенствованной зарядки используют сложные схемы. Перед началом работы подготавливают паяльник, припой, флюс и клей. Отдельно приобретают плату, необходимую для нормального функционирования самодельного ЗУ.

Сборку осуществляют так:

При изготовлении устройства нельзя допускать короткого замыкания. Приведенная выше схема позволяет собрать простое, но надежное ЗУ за несколько часов. С помощью USB-кабеля его подсоединяют к электросети или компьютеру. Батарею устанавливают в получившееся гнездо. После включения зеленого индикатора прибор отключают.

Меры предосторожности: перезаряд недопустим

Крайне важно перед началом сборки АКБ для батарей запомнить одну простую вещь — литиевые аккумуляторы строго запрещено перезаряжать. У них очень строгие требования к режиму зарядки и эксплуатации, поэтому их нельзя заряжать до напряжения больше 4,2 В. А ещё лучше руководствоваться информацией о безопасном пороге для каждой отдельно взятой банки. Кстати, там может быть указан даже меньший порог, который считается допустимым для этого экземпляра.

Ещё лучше, если вы собираетесь делать зарядку для литиевых аккумуляторов своими руками, несколько раз проверить используемые материалы и оборудование. Если у вас сомнения относительно точности показаний вашего вольтметра или происхождения банок, а также максимально допустимой мощности их заряда, лучше ставить порог ещё меньше. Оптимально будет в пределах 4.1–4.15 В. В этом случае заряжать АКБ, у которых нет встроенной платы защиты, будет безопасно для вас.

В противном случае велика вероятность сильного нагрева и вздутия банок, обильного выделения газа с резким неприятным запахом и даже их последующего взрыва. Проверьте все несколько раз перед тем, как приступать к сборке и зарядке.

Какими бывают литиевые аккумуляторы

В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:

У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.

Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.

Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):

Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.

Как заряжать литиевые батарейки?

Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.

О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.

Как собрать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками

Схема зарядного устройства для литиевых аккумуляторов

Один из простейших, если не самый простой, вариант создания зарядного устройства. Он предусматривает использование микросхемы LM317. Она дешёвая и повсеместно доступная, плюс оснащается индикатором заряда.

Настройка сводится к тому, чтобы установить выходное напряжение номиналом 4,2 Вольта, используя подстроечный резистор R8. Только обязательно без подключённого аккумулятора. А также устанавливается зарядный ток методом подбора резисторов R4 и R6. Рекомендуемая мощность резистора R1 при этом должна составлять не менее 1 Ватт.

Когда светодиод на схеме погаснет, это сигнализирует о завершении процесса зарядки батареи. При этом показатели зарядного тока до нуля уменьшаться никогда не будут.

В подобной зарядке не рекомендуется слишком долго держать аккумуляторную батарейку после того, как процесс подзарядки завершится.

Микросхемы типа LM317, как и её аналоги, очень широко применяются во всевозможных стабилизаторах тока и напряжения. При этом купить их можно на любом радиорынке, а обойдутся они в сущие копейки.

Недостатком схемы можно считать питающее напряжение, которое обязательно должно составлять от 8 до 12 В. Это обусловлено тем, что для нормального функционирования микросхемы требуется разница между напряжением на АКП и питающим напряжением не меньше 4,25 В, то есть запитать устройство с помощью порта USB не получится.

Последовательность сбора зарядки литиевых аккумуляторов своими руками такова:

1. подбираете подходящий корпус;
2. крепите к нему блок питания (5 В) и элементы указанной схемы (обязательно в правильном порядке);
3. берете латунь и вырезаете из неё две полоски, крепите их на гнёзда;
4. используя гайку, устанавливаете расстояние между контактами и АКБ, которые собираетесь подключать;
5. крепите переключатель, если хотите впоследствии иметь возможность изменять полярность на гнёздах (если — нет, оставляете все как есть).

Но если задачей является сборка зарядного устройства, ориентированного на работу с аккумуляторами 18650, тогда сразу стоит переходить к более сложным схемам, либо же покупать готовый девайс. Без соответствующих технических навыков собрать узел не получится. Порой действительно проще потратить немного больше денег, но взять заводской зарядник с необходимыми параметрами и защитой.

Опасность перезаряда и полного разряда, чем грозит

Если говорить о lion батарейках, нельзя допускать их полного разряжения или перезарядки. Например, никель-кадмиевые АКБ обладают эффектом памяти. Это означает, что неправильная зарядка приводит к потерям ёмкостных характеристик. Неправильно, когда заряжается аккумулятор, который сел неокончательно. Если начать подзаряжать его не при нуле, он может потерять свои емкостные хар-ки.

Зарядники для таких батареек создают со специальными рабочими режимами, которые в первую очередь садят АКБ полностью, потом начинают ее наполнять энергией. Литиевые аккумуляторы не требуют к себе такого внимания. У них отсутствует эффект памяти, но они не выносят полный разряд.

Поэтому их стоит сразу наполнять энергией, не дожидаясь нуля. Но и перезаряд, это тоже не лучший вариант. Это касается лишь батарей без защиты. Если у аккумуляторных батарей есть контроллер заряда, то он сам будет контролировать процессы.

Алгоритм зарядки Li-ion аккумуляторов

Для Li-ion элементов характерно линейное изменение тока и напряжения. Поэтому для восполнения их заряда через USB или обычный блок питания отлично подходит модуль с чипом TP4056. О протекании процесса зарядки сообщают диоды. Безопасное восполнение заряда ведется при стабильном токе 0,2–0,7С. Когда Uвых достигает 4,2 В, начинается зарядка при U=const с плавным снижением тока до 10% от его исходного значения.

Зарядный ток регулирует резистор, соединенный с выводом PROG. Продаваемые модули этой конфигурации обычно имеют резистор на 1,2 кОм и обеспечивают зарядный ток 1 А. Для подзарядки достаточно подать на входной разъем напряжение 4–8 В и соединить «плюс» и «минус» заряжаемой «банки» с контактами модуля TP4056.

Сборка зарядки для литиевого аккумулятора 18650 по схеме

Для завершения сборки электрокомпонентов нужно спаять их согласно схеме:

1. Положительный контакт разъема питания соединить с произвольным контактом выключателя, а отрицательный – с выводом GND стабилизатора.
2. Свободный контакт выключателя объединить с выводом Vin стабилизатора.
3. На макетной плате в диапазоне между Vin и GND выводами поместить параллельно 3 конденсатора.
4. Между точками Vout и GND поставить оставшийся 1 конденсатор.
5. Соединить выводы Vout и IN+, GND и IN-.
6. Положительный контакт аккумуляторного отсека свести с выводом B+, а отрицательный – с В-.

При использовании вместо стабилизатора и конденсаторов 5–вольтного блока питания сделать самому зарядку 18650 еще проще. Нужно просто подключить полюса блока питания к выводам IN+ и IN- модуля TP4056. По окончании пайки остается поместить собранную схему в пластиковый корпус. По заранее прочерченным линиям при помощи горячего ножа в нем нужно сделать окошки для компактного размещения всех компонентов: USB-порта, диодов, выключателя и разъема.

Все компоненты размещаются в самодельном корпусе. Аккумуляторный отсек крепится термоклеем. Модуль TP4056 устанавливается так, чтобы диоды и USB разъем попали в подготовленные под них прорези, и приклеиваются. В конце размещаются и фиксируются клеем стабилизатор, разъем и выключатель. Затем остается привинтить крышку и зашлифовать наждачкой края окошек. Аналогично можно сделать своими руками и зарядку для трех 18650 аккумуляторов, используя соответствующую схему.

Ранее в нашем блоге приводились основные технические характеристики источников бесперебойного питания.

КакиеЧто такое модуль TP4056 и чем отличается модуль с защитой от модуля без защиты

Модуль TP4056 представляет собой небольшую плату на основе контроллера TP4056, которая предназначена для заряда литиевых аккумуляторов 3.7В. Такие платы заряда литиевых аккумуляторов могут быть двух модификаций, модули TP4056 без защиты аккумулятора, и модули TP4056 с защитой аккумулятора. Иногда такие платы можно встретить с обозначением TC4056.

Модуль заряда TP4056 без защиты предназначен только для заряда литиевых аккумуляторов до номинального напряжения 4.2В. На плате заряда без защиты из микросхем имеется только контроллер TP4056. Для подключения питающего напряжения на самых первых платах устанавливался разъем Mini-USB, на последних версиях устанавливается популярный разъем Micro-USB.

Модуль заряда TP4056 с защитой может не только заряжать литиевый аккумулятор до номинального напряжения 4.2В, но и защищает его от чрезмерного переразряда, от короткого замыкания, и ограничивает максимальный ток разряда. Дополнительно на плате заряда с защитой кроме контроллера TP4056 еще установлена микросхема DW01 и мосфет S-8205A для управления нагрузкой. Микросхема DW01 не дает аккумулятору разрядиться ниже 2.5В, отключает нагрузки с помощью мосфета при КЗ и при увеличении тока разряда более 3А. Платы заряда с защитой можно встретить с разъемом Micro-USB и Type-C для подключения питающего напряжения.