Зарядное для литий ионных аккумуляторов своими руками. Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

«С» значит Capacity

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Схема простого зарядного устройства на LM317

Рис. 5.

Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Рис. 6.

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.

Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Где я покупаю литий и полезности по теме

Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.

После долгих экспериментов схема немного изменилась, в место резисторов было установлено 3 последовательно включенных диода 1N4007, работать балансир стал как по мне стабильней, диоды при зарядке ощутимо греются, это следует учитывать при разводке платы.

Принцип работы очень прост, пока напряжение на элементе меньше 4,2 вольта, идет зарядка, управляемый стабилитрон и транзистор закрыты и не влияют на процесс зарядки. Как только напряжение достигнет 4,2 вольта, стабилитрон начинает открывать транзистор, который через резисторы суммарным сопротивлением 4 Ома шунтирует аккумулятор, тем самым не давая напряжению подняться выше верхнего порога 4,2 вольта, и дает возможность зарядиться остальным аккумуляторам. Транзистор с резисторами спокойно пропускает ток около 500 мА, при этом он нагревается градусов до 40-45. Как только на балансире загорелся светодиод аккумулятор который к нему подключен полностью заряжен. То есть, если у вас соединено 3 аккумулятора, то окончанием заряда нужно считать загорание светодиодов на всех трех балансирах.
Настройка очень проста, подаем на плату (без аккумулятора) напряжение 5 вольт через резистор примерно 220 Ом, и меряем на плате напряжение, оно должно быть 4,2 вольта, если оно отличается то подбираем резистор 220 кОм в небольших пределах.
Напряжение для зарядки нужно подавать примерно на 0,1-0,2 вольта больше чем напряжение на каждом элементе в заряженном состоянии, пример: у нас 3 последовательно соединенных аккумулятора по 4,2 вольта в заряженном состоянии, суммарное напряжение 12,6 вольта. 12,6 + 0,1 + 0,1 + 0,1 = 12,9 вольта. Также следует ограничит ток заряда на уровне 0,5 А.
Как вариант стабилизатора напряжения и тока можно использовать микросхему LM317, включение стандартное с даташита, схема выглядит следующим образом.

Трансформатор нужно выбирать с расчета - напряжение заряженной батареи + 3 вольта по переменке, для корректной работы LM317. Пример у вас батарея 12,6 вольта + 3 вольт = трансформатор нужен 15-16 вольт переменного напряжения.
Так как LM317 линейный регулятор, и падение напряжения на нем превратится в тепло, обязательно устанавливаем ее на радиатор.
Теперь немного о том как рассчитать делитель R3-R4 для стабилизации напряжения , а очень просто по формуле R3+R4=(Vo/1.25-1)*R2 , величина Vo - это напряжение окончания заряда (максимальное выходное после стабилизатора).
Пример: нам нужно получить на выходе 12,9 вольта для 3-х. батарей с балансирами. R3+R4=(12.9/1.25-1)*240=2476,8 Ом. что примерно ровняется 2,4 кОм + у нас стоит подстроечный резистор, для точной подстройки (470 Ом), что позволит нам, без проблем установить расчетное выходное напряжение.
Теперь расчет выходного тока, за него отвечает резистор Ri, формула простая Ri=0.6/Iз , где Iз - максимальный ток заряда. Пример нам нужен ток 500 мА, Ri=0.6/0,5А= 1,2 Ом. Следует учитывать, что через данный резистор течет зарядный ток, потому мощность его стоит брать 2 Вт. Вот и все, платы я не выкладываю, они будут когда я соберу зарядное устройство с балансиром для своего металлоискателя.

Большинство современных гаджетов получают питание двумя способами: от сети, от батареек. Какой из них выберете вы? Наверное, второй, как наиболее удобный. Но тогда придется позаботиться об их регулярной зарядке. Для этого имеется специальное оснащение – зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов. Выбирая его, обычно интересуются скоростью заряда и количеством одновременно восстанавливаемых батарей.

Но при этом не стоит забывать о том, что оно должно быть оптимизировано для работы с конкретными аккумуляторами. Большинство зарубежных производителей батареек выпускают и собственные зарядные устройства, что избавляет вас от утомительных поисков подходящей модели. В чем состоит их отличие и как ориентироваться в этом море продукции? Сейчас мы расскажем более подробно.

Зарядка для пальчиковых батареек

Этот прибор является необходимым предметом для людей, предпочитающих активный образ жизни, которые перевели максимальное количество используемых гаджетов на работу от аккумуляторов. Одним из самых распространенных среди таких приборов является мобильный телефон.

Все они оснащены батареями на литиевой основе. Поэтому для них рекомендуют приобретать зарядное устройство для литиевого аккумулятора 18650. Так как попытка восстановить емкость батареи используя прибор неподходящей модели приведет к ее порче.

Обычно для зарядки аккумуляторов на литиевой основе используют устройства с маркировкой EP. В мобильном телефоне батарея считается самым уязвимым местом. И при использовании неподходящей зарядки срок ее службы может сократиться, она начнет быстро разряжаться, что доставим массу неудобных моментов. Чтобы избежать этого необходимо правильно подбирать оборудование для восстановления. Причем не обязательно приобретать готовую модель можно сделать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками. Такой прибор обойдется дешевле, чем промышленное изделие.

Конструктивные особенности ЗУ

Классическая схема зарядного устройства для литиевого аккумулятора 18650 включает в себя две основные детали:

• Трансформатор;
• Выпрямитель.

Используется он для выработки постоянного тока с напряжением 14,4В. Такое значение параметра выбрано не случайно. Оно необходимо для того, чтобы ток смог проходить через разряженный аккумулятор. А так как в это время напряжение батареи составляет около 12В, то зарядить ее устройством, у которого на выходе такое же значение невозможно. Вот поэтому и была выбрана величина в 14,4В.

Принцип работы ЗУ

Восстановление емкости батареи начинается при включении ЗУ в сеть. При этом внутреннее сопротивление аккумулятора растет, а ток снижается. Как только напряжение на батарее достигнет отметки в 12В, ток приблизится к нулевой отметке. Такие параметры говорят о том, что зарядка аккумулятора выполнена успешно и устройство может быть отключено.

Кроме обычного процесса, занимающего довольно продолжительное время, существует и ускоренный. Стремительная зарядка значительно сокращает сроки, но в то же время негативно влияет на работу батареи, поэтому пользоваться этим методом специалисты не рекомендуют.

Критерии выбора прибора зарядки

Определить насколько качественным будет покупаемый прибор можно по следующим моментам:

• Наличию независимых каналов заряда;
• Току;
• Функции разряда.

Рассмотрим каждый из них подробно. Начнем с самого значимого – независимых каналов заряда. Наличие их у выбранной модели говорит о том, что ее электронная начинка способна раздельно контролировать процесс зарядки и прекращать его, как только емкость аккумулятора будет восстановлена. Но при этом все остальные не успеют восстановить свое емкость, что при постоянном повторении такой ситуации ведет к быстрому выходу из строя батарей.

Пополнение энергии аккумулятора возможно тремя способами:

1. Слабым током;
2. Средним;
3. Высоким.

Первый предполагает выбор зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов с учетом номинальной емкости батареи. При этом вырабатываемый им ток не должен превышать 10%. Такой способ зарядки самый медленный и щадящий. При его постоянном использовании срок службы аккумуляторов практически не сокращается.

Использование приборов, с током, составляющим меньше половины номинальной емкости батареи считают золотой серединкой. При нем аккумулятор практически не нагревается и время цикла не очень затянутое, как в первом случае.

Последний способ или зарядка большим током практически равным номинальной емкости – это в своем роде стресс для батареи, приводящий к весомому сокращению срока службы. При нем происходит сильный нагрев, требующий активного вентиляторного охлаждения. Его используют только в крайних случаях, когда требуется зарядить аккумулятор за пару часов.

Смотрим видеообзор зарядников для литьевых батарей:

Существуют и так называемые интеллектуальные устройства. Они используются для зарядки аккумуляторов профессиональными фотографами, используемых в осветительных приборах и других аналогичных случаях. Стоимость такого зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов достаточно велика, но если вам важна безупречная работа гаджета, то лучше инвестировать в покупку прибора, чем постоянно менять батареи.

У интеллектуальных зарядных устройств имеется функция разряда. Она необходима чтобы полностью разрядить аккумулятор, исключив тем самым эффект памяти. Это несколько удлиняет цикл зарядки, но тем самым продлевает срок службы батареи.

В некоторых моделях присутствует и функция тренировки. Ее используют для возвращения в рабочее состояние частично испорченных аккумуляторов.

Лучшие производители

Каждый продукт имеет свои особенности. Поэтому выбирая конкретную марку необходимо в первую очередь ориентироваться на количество и тип аккумуляторов, которые придется заряжать. Если предполагается работа с 4-мя батареями, то можно остановиться на модели Rodition Ecocharger. Это небольшое устройство, способное восстанавливать даже одноразовые щелочные батарейки. Включение этой функции производится тумблером, расположенным на боковой панели корпуса.

Прибор имеет четыре канала и способен контролировать уровень заряда каждого элемента в отдельности. На панели устройства имеется световая индикация, показывающая, какой из аккумуляторов уже восстановился. Купить такое устройство можно за 20 долларов.

Смотрим видео о продукции Rodition Ecocharger:

Одним из наиболее популярных и многофункциональных считается зарядное устройство для литиевых аккумуляторов марки La Crosse BC-700. Оно относится к продвинутым и рассчитано на восстановление пальчиковых баьаоеек форматов АА и ААА на основе никеля. Особенности прибора таковы, что он способен одновременно осуществлять зарядку 4 батарей разной емкости.

Устройства работает в нескольких режимах. Имеется регулятор тока, позволяющий выбирать наиболее оптимальную его величину для каждого случая.

Этапы зарядки

Процесс восстановления батареи специалисты рекомендуют начинать с ее полной разрядки. Если по каким-либо причинам приходится заряжать аккумулятор которые еще не полностью разрядился, то стоит выбирать продвинутую модель устройства.

Сегодня у многих пользователей скопилось по несколько рабочих и неиспользуемых литиевых аккумуляторов, появляющихся при замене мобильных телефонов на смартфоны.

При эксплуатации аккумуляторов в телефонах со своим зарядным устройством, благодаря использованию специализированных микросхем для контроля заряда, проблем с зарядом практически не возникает. Но при использовании литиевых аккумуляторов в различных самоделках возникает вопрос, как и чем заряжать такие аккумуляторы. Некоторые считают, что литиевые аккумуляторы уже содержат встроенные контроллеры заряда, но на самом деле в них встроены схемы защиты, такие аккумуляторы называют защищёнными. Схемы защиты в них предназначены в основном для защиты от глубокого разряда и превышения напряжения при зарядке выше 4,25В, т.е. это аварийная защита, а не контроллер заряда.

Некоторые «самодельщики» на сайте тут - же напишут, что за небольшие деньги можно заказать специальную плату из Китая, с помощью которой можно зарядить литиевые аккумуляторы. Но это только для любителей «шопинга». Нет смысла покупать то, что легко собирается за несколько минут из дешевых и распространенных деталей. Не нужно забывать и о том, что заказанную плату придется ждать около месяца. Да и покупное устройство не приносит такого удовлетворения, как сделанное своими руками .

Предлагаемое зарядное устройство способен повторить практически каждый. Данная схема весьма примитивна, но полностью справляется со своей задачей. Все что требуется для качественной зарядки Li-Ion аккумуляторов, это стабилизировать выходное напряжение зарядного устройства и ограничить ток заряда.

Зарядное устройство отличается надежностью, компактностью и высокой стабильностью выходного напряжения, а, как известно, для литий-ионных аккумуляторов это является очень важной характеристикой при зарядке.

Схема зарядного устройства для li-ion аккумулятора

Схема зарядного устройства выполнена на регулируемом стабилизаторе напряжения TL431 и биполярном NPN транзисторе средней мощности. Схема позволяет ограничить зарядный ток аккумулятора и стабилизирует выходное напряжение.

В роли регулирующего элемента выступает транзистор Т1. Резистор R2 ограничивает ток заряда, значение которого зависит лишь от параметров аккумулятора. Рекомендуется использовать резистор мощностью 1 вт. Другие резисторы могут иметь мощность 125 или 250 мВт.

Выбор транзистора определяется необходимым зарядным током установленным для зарядки аккумулятора. Для рассматриваемого случая, зарядки аккумуляторов от мобильных телефонов, можно применить отечественные или импортные NPN транзисторы средней мощности (например, КТ815, КТ817, КТ819). При высоком входном напряжении или использовании транзистора малой мощности, необходимо транзистор установить на радиатор.

Светодиод LED1 (выделен красным цветом в схеме), служит для визуальной сигнализации заряда аккумулятора. При включении разряженного аккумулятора, индикатор светится ярко и по мере заряда тускнеет. Свечение индикатора пропорционально току заряда аккумулятора. Но следует учесть, что при полном затухании светодиода, батарея все еще будет заряжаться током менее 50ма, что требует периодического контроля над устройством для исключения перезаряда.

Для повышения точности контроля окончания заряда, в схему зарядного устройства добавлен дополнительный вариант индикации заряда аккумулятора (выделен зеленым цветом) на светодиоде LED2, маломощном PNP транзисторе КТ361 и датчике тока R5. В устройстве возможно использование любого варианта индикатора в зависимости от требуемой точности контроля заряда аккумулятора.

Представленная схема предназначается для заряда только одного Li-ion аккумулятора. Но это зарядное устройство можно использовать и для заряда других видов аккумуляторов. Требуется лишь выставить необходимое для этого значение выходного напряжения и ток зарядки.

Изготовление зарядного устройства

1. Приобретаем или подбираем из имеющихся в наличии, комплектующие для сборки в соответствии со схемой.

2. Сборка схемы.
Для проверки работоспособности схемы и ее настройки, собираем зарядное устройство на монтажной плате.

Диод в цепи питания аккумулятора (минусовая шина – синий провод) предназначен для предотвращения разряда литий-ионного аккумулятора при отсутствии напряжения на входе зарядного устройства.

3. Настройка выходного напряжения схемы.
Подключаем схему к источнику питания напряжением 5…9 вольт. Подстроечным сопротивлением R3 устанавливаем выходное напряжение зарядного устройства в пределах 4,18 – 4,20 вольта (при необходимости, в конце настройки измеряем его сопротивление и ставим резистор с нужным сопротивлением).

4. Настройка зарядного тока схемы.
Подключив к схеме разряженный аккумулятор (о чем сообщит включившийся светодиод), резистором R2 устанавливаем по тестеру величину зарядного тока (100…300 ма). При сопротивлении R2 менее 3 ом светодиод может не светится.

5. Готовим плату для монтажа и пайки деталей.
Вырезаем необходимый размер из универсальной платы, аккуратно обрабатываем края платы напильником, очищаем и лудим контактные дорожки.

6. Монтаж отлаженной схемы на рабочую плату
Переносим детали с монтажной платы на рабочую, паяем детали, выполняем недостающую разводку соединений тонким монтажным проводом. По окончании сборки основательно проверяем монтаж.

Зарядное устройство может быть собрано любым удобным способом, в том числе и навесным монтажом. При монтаже без ошибок и исправных деталях оно начинает работать сразу же после включения.

При подключении к зарядному устройству, разряженный аккумулятор начинает потреблять максимальный ток (ограниченный R2). При приближении напряжения аккумулятора к заданному, ток заряда будет падать и при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, зарядный ток будет практически нулевым.

Однако оставлять аккумулятор, подключенный к зарядному устройству на продолжительное время, не рекомендуется, т.к. он не любит перезаряда даже малым током и может взорваться или загореться.

Если устройство не работает, то необходимо проверить управляющий вывод (1) TL431 на наличие напряжения. Его значение должно быть не меньше 2,5 В. Это наименьшее допустимое значение опорного напряжения для этой микросхемы. Микросхема TL431 встречается довольно часто, особенно в БП компьютеров.

Обнаружил, что у меня валяется некоторое количество вполне исправных литиевых аккумуляторов от дохлых мобилок, ноутов и т.д, которые можно использовать в разных поделках. Чем-то их надо заряжать. В залежах были найдены подходящие детальки, и понеслось…

Схема зарядного устройства

Рисуем схемку, с оглядкой на наличие деталей в ящике стола. Ради такого простого изделия лень лишний раз бежать в магазин.

ограничивает ток, TL431+IRF ограничивает напряжение. Ничего особенного, наверняка таких же точно схем уже нарисовали не один десяток. Ограничение тока настроено на 125 мА исходя из возможностей применённого трансформатора и из ограничения на тепловыделение в маленьком пластиковом корпусе. Вообще-то, даже маленькие аккумуляторы от мобилок держат гораздо больший зарядный ток без перегрева.
Плата делалась достаточно компактной, чтобы вместить её в имеющийся пластиковый корпус.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Спасибо за внимание!