Записки программиста

Совершенно естественным является желание носить электронику с собой безо всяких лишних проводов до ближайшей розетки. Для решения этой проблемы придумали аккумуляторы, об использовании которых главным образом и пойдет речь в данном посте. Впрочем, играться с аккумуляторами оказалось намного увлекательнее, чем я ожидал, поэтому речь также зайдет о повышающих DC/DC преобразователях и даже о солнечных панелях.

Ликбез по аккумуляторам

Примечание: Пользуясь случаем, мне хотелось бы поблагодарить людей с форума EasyElectronics за то, что помогли мне разобраться в некоторых тонких моментах касаемо использования аккумуляторов.

Есть множество разных видов аккумуляторов. На практике очень часто можно столкнуться с LiIon и LiPo аккумуляторами. Они имеют похожие свойства и взаимозаменяемы. Эти типы аккумуляторов используется во всех современных ноутбуках, планшетах, смартфонах, повербанках, заряжаемых игрушках, и даже дрелях-шуруповертах. Поэтому именно о них речь пойдет далее, притом под LiIon аккумуляторами я буду иметь в виду как сами LiIon, так и LiPo. Следует однако помнить, что существуют и другие типы аккумуляторов, в частности NiMH, NiCd, LiFePO4 и другие. NiMH и NiCd аккумуляторы часто продаются в виде перезаряжаемых батареек AA.

LiIon аккумулятор выдает напряжение около 3.7 В. Реальное напряжение изменяется в диапазоне от 4.2 до 3.3 В в зависимости от степени зарядки аккумулятора. Если разрядить аккумулятор слишком сильно, это может вывести его из строя. Поэтому при падении напряжения до 3.3 В (или 3.6 В для нагрузки с большим потреблением тока типа квадрокоптера) аккумулятор следует зарядить. Аккумулятор, содержащий в себе несколько последовательно соединенных LiIon ячеек, обозначается 2S, 3S, 4S и так далее в соответствии с количеством ячеек. При соединении аккумуляторов последовательно их напряжение складывается. Например, аккумулятор 3S выдает от 10 до 12.6 В. По аналогии параллельное соединение аккумуляторов обозначается 2P, 3P и так далее. При параллельном соединении складывается емкость аккумуляторов, а напряжение остается таким же. Существуют также аккумуляторы типа 3S2P. Думаю, название говорит само за себя.

Важно! При последовательном и параллельном включении аккумуляторов (ровно как и батареек) важно, чтобы они имели одинаковое напряжение (то есть, были одинаково заряжены), имели одинаковую емкость, и вообще, желательно, чтобы принадлежали одному производителю.

Емкость измеряется в ампер-часах (Ач) или миллиампер-часах (мАч). В теории аккумулятор емкостью 4000 мАч может выдавать ток силой 1 А в течение 4 часов или 100 мА в течение 40 часов. Действительность несколько сложнее, в частности, потому что по мере службы емкость аккумулятора сокращается. Более того, она сокращается даже просто со временем, если аккумулятор не используется. По разным исследованиям сокращение емкости составляет что-то в районе 10-15% за год. Для достижения максимального срока службы аккумуляторы рекомендуется хранить заряженными на 40% при температуре около 10 градусов Цельсия.

Максимальный ток, который может выдать аккумулятор, обозначается, как 1C, 5C, 30C, и так далее. Если аккумулятор емкостью N Ач может выдать ток до N А, это аккумулятор 1С. Если (X*N) А, то это аккумулятор (X)C. Например, аккумулятор 20С емкостью 2.2 Ач может выдавать ток до 44 А. Такие high discharge аккумуляторы часто используются в авиамоделизме. Нередко аккумуляторы обозначаются в стиле 20-30С. В случае с аккумулятором емкостью 2.2 Ач это означает, что аккумулятор может стабильно выдавать ток силой 44 А, а также пики до 66 А в течение 5-10 секунд.

Зарядка аккумуляторов — процесс не самый тривиальный. До ~80% их нужно заряжать при возрастающем напряжении и постоянном большом токе, затем при постоянном напряжении и постепенно уменьшающемся токе. Если в аккумуляторе больше одной ячейки, между первым и вторым шагом дополнительно выполняется балансировка ячеек (зарядка до одного уровня). На практике все это делается специальными зарядными устройствами вроде iMAX B6 или готовыми интегральными схемами вроде TP4056 (даташит [PDF], готовая плата на AliExpress), HT3582 (даташит [PDF]) или MAX1555 (даташит [PDF]). Также большой список альтернативных микросхем можно найти на Chip&Dip.

Fun fact! Если вам когда-нибудь понадобится заряжать NiMH или NiCd аккумуляторы, обратите внимание на MAX712 и MAX713 (даташит [PDF]).

На этом, думаю, ликбез можно считать завершенным. Перейдем уже, наконец-то, к практике!

Паяем повербанк

Первый прототип повербанка выглядел следующим образом:

Здесь используется аккумулятор в форме батарейки 18650 (18 мм диаметр, 65 мм длина). Кстати, это крайне популярный формат для LiIon аккумуляторов. К нему припаяна плата на базе чипа TP4056. Питание на эту плату подается от солнечной панели через понижающий регулятор напряжения на базе LM2596. Регулятор напряжения нужен по той причине, что солнечная панель может выдавать напряжение до 10 В, а TP4056, согласно даташиту, может переварить не более 8 В. Притом, в данном случае подойдет далеко не всякий регулятор. LM2596 был выбран по той причине, что он никогда не теряет более 0.3 В по сравнению с входным напряжением, даже если оно ниже заданного выходного. Для сравнения, MP1584 теряет до 1 В, а значит аккумулятору чтобы заряжаться будет нужен более яркий свет (более высокое напряжение от солнечной панели), чем при использовании LM2596.

Пару слов нужно сказать о припаивании проводов к аккумулятору 18650. Аккумулятор паяется не так-то просто, и при этом его нельзя перегревать (он может загореться, брызнуть вам химией в лицо, и тд). Я делал так. Наносил на поверхность флюс ЛТИ-120, разогревал паяльник до 400 градусов, брал на него побольше припоя, затем быстро-быстро (за 1-2 секунды) лудил поверхность и затем так же быстро припаивал к ней луженые провода. Есть и куда более безопасный способ — использовать батарейные отсеки для аккумуляторов 18650. На AliExpress можно без труда найти отсеки на один, два, три и четыре аккумулятора. Естественно, с разумной наценкой они также доступны и в более близких к вам интернет-магазинах.

В окончательном виде аккумулятор получился таким (вид сзади):

Все компоненты были закреплены на обратной стороне солнечной панели при помощи толстого двухстороннего скотча. Аккумулятор 18650 был заменен на более подходящий по размеру и формату аккумулятор от старого, давно разбитого, планшета. К слову о падении емкости, за 4 года емкость аккумулятора сократилась с заявленных 4270 мАч до чего-то в районе 2700 мАч. Это минус 10.8% емкости в год:

Самопальная плата с LM2596 была заменена на аналогичную несколько более компактную плату с AliExpress (на фото видна по центру). Поскольку аккумулятор имеет не постоянное напряжение где-то в окрестностях 3.7 В, а для питания устройств обычно нужны стабильные 5 В или больше, был добавлен повышающий DC/DC преобразователь на базе MT3608 (на фото слева с припаянным DC-проводом). На фото от повербанка успешно питается Arduino, которая на DC разъеме ждет минимум 7 В, что как бы намекает нам на то, как был выкручен потенциометр на плате с MT3608.

Fun fact! Существуют платы на базе TP4056 (UPD: аналогичного, но другого чипа) со встроенным DC/DC преобразователем, повышающим напряжение до 5В. Также существуют отдельные небольшие платы, повышающие напряжение до фиксированных 5 В.

USB-разъем был отпаян с платы на базе TP4056, так как плата не рассчитана на одновременную подачу питания от двух источников, например по USB и от солнечной панели. Для зарядки аккумулятора от сети в облачную погоду была добавлена небольшая плата с штырьками, гнездами и двумя диодами Шоттки 1N5818 (на фото — белая плата, приклеенная ниже остальных прямо на аккумулятор). То есть, общая схема следующая. Как солнечная панель, так и (опционально) внешний источник питания, защищенные друг от друга диодами, подключаются к понижающему регулятору на базе LM2596, оттуда питание подается на TP4056, заряжающему аккумулятор, а от аккумулятора провода идут к повышающему регулятору MP1584, от которого питается нагрузка.

Диоды Шоттки 1N5818 были выбраны из-за малого падения напряжения, составляющего 0.3 В против 0.7 В у обычных выпрямительных диодов вроде 1N4001. Кроме того, при зарядке от сети 1N4001 будут сильно греться (проверено, так как изначально я выбрал именно их). У диодов 1N5818 такой проблемы нет. При этом 1N5818 имеют сравнительно большой ток утечки, 1000 мкА против 5 мкА у 1N4001. В данном случае это не создало каких-либо проблем. Однако в других задачах стоит попробовать диоды Шоттки с меньшим током утечки, например 10CTQ150, 10ETS08, 10ETS12 или подобные. Эти диоды Шоттки имеют заявленный ток утечки до 50 мкА.

Повербанк можно заряжать напряжением от 6 до 30 В, где 30 В — это максимальное обратное напряжение для диодов 1N5818 (LM2596 может принимать на вход до 40 В). То есть, его можно заряжать обычным ноутбучным блоком питания на 19 В. Если аккумулятор был сильно разряжен, при следующей его зарядке TP4056 может заметно греться, до 80 градусов Цельсия. На чип можно приклеить небольшой радиатор. Но не похоже, чтобы в этом была реальная необходимость, и получить ожог при такой температуре все равно не получится.

Заключение

Для этого повербанка мною также была спаяна небольшая приставка с USB-разъемами (JPG, 170 Кб) на базе понижающего регулятора MP2307. Если вам нужно чисто питать USB-устройства, то можно обойтись и без еще одного регулятора, если выставить выходное напряжение повербанка в 5 В. Но иногда мне нужно больше 5 В, а постоянно крутить ручку потенциометра не хочется. Поэтому я добавил очередной регулятор, заплатив некоторой потерей энергии на нем за удобство. Стоит отметить, что в итоге я стал использовать приставку в качестве самостоятельной, никак не связанной с повербанком, платы распределения питания. Так что, наверное, придется спаять еще одну такую же.

Можно придумать немало улучшений для повербанка. Например, добавить отображение уровня заряда аккумулятора, а также встроить в него светодиодный фонарик. Еще я планирую доработать приставку, чтобы она заряжала повербанк при наличии питания в сети, и использовала его как UPS при отключении электричества. А какие умопомрачительные применения всему описанному выше можете придумать вы? :)

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Собираем крафтовую розетку с таймером на базе Arduino и Регулятор отрицательного напряжения на базе LM2596.

Метки: Электроника.