Как зарядить литий ионный аккумулятор своими руками

Зарядное устройство литиевых аккумуляторов своими руками

Проблема автономного питания электронной аппаратуры встала перед человечеством особенно остро при появлении обилия полупроводниковых элементов. Вместе с развитием электроники появлялись новые виды батареек и аккумуляторов, всё это привело к тому, что сейчас ёмкие литий-ионные аккумуляторы стали использоваться практически повсеместно в портативной электронике. Они обладают по-истине впечатляющими ёмкостями при небольших габаритах, могут выдавать большие токи в нагрузку, а потому находят применение практически везде — хоть в небольших беспроводных наушниках, хоть в автомобильной бортовой сети, где требуются высокие токи и большая ёмкость. К особенностям литий-ионных аккумуляторов также можно отнести их «привередливость» к зарядке — просто так взять и подключить такой аккумулятор к источнику питания, чтобы он сам заряжался не получится. Ток заряда должен быть строго нормирован, а его превышение может грозить аккумулятору выходом из строя. Ток заряда обычного литий-ионного аккумулятора должен быть равен примерно одной-двумя десятым от его ёмкости. Например, аккумулятор ёмкость 1000 мА/ч должен заряжаться током 100-200 мА, это обеспечит наиболее долгий срок его службы. Для того, чтобы контролировать ток заряда, нужна специальная схема, которая будет подключаться входом к источнику питания, а выходом — к заряжаемому аккумулятору. Такую схему достаточно просто собрать самому, он представлена ниже.

В левой части схемы на транзисторе Q1 организован индикатор, который сообщает, зарядился аккумулятор, или ещё нет. Последовательно с питанием схемы стоит резистор R1, через который протекает ток заряда аккумулятора, соответственно, на резисторе падает часть напряжения. Если ток заряда ещё достаточно большой, аккумулятор заряжается, падение напряжение на этом резисторе приоткрывает транзистор Q1, светодиод D1 светится. Как только аккумулятор зарядится до нужного напряжение, ток упадёт до минимальных значений, транзистор Q1 закроется и D1 перестанет светится — зарядка завершена. Время заряда будет напрямую зависеть от тока заряда, например, аккумулятор ёмкостью 1000 мА/ч будет заряжаться током 100 мА около 10 часов, а вот током 200 мА уже 5 часов — в два раза меньше при соответствующем увеличении тока заряда в два раза. Конденсатор С1 на схеме — сглаживающий по питанию, сюда не лишним будет установить параллельно электролитический на 47-100 мкФ и параллельно ему керамический на 100 нФ. После этого питающее напряжение поступает на микросхему-стабилизатор LM317, в цепи регулировки которой стоит уже другая микросхема — TL431. Обе эти микросхемы являются распространёнными, достать их можно в любом магазине радиодеталей, а TL431 встречается даже во многих импульсных сетевых блоках питания. Принцип работы данной хитрой схемы достаточно прост. Сперва аккумулятор заряжается постоянным током, около 100 мА, этот ток задаётся резистором R5 — микросхема TL317 работает в роли стабилизатора тока. Затем, когда аккумулятор уже почти зарядится и его напряжение станет близким к 4,2В, схема начинает работать в роли стабилизатора напряжения, дозаряжая аккумулятор небольшим током. Такой алгоритм заряда наиболее правильный и позволит сохранить ёмкость аккумулятора на долгие года, даже при частых циклах зарядка-разрядка. На схеме также виден подстроечный резистор RV1, который служит для настройки выходного напряжения. После сборки схемы его нужно будет настроить всего один раз, для выставления на выходе схемы напряжения 4,2В без подключенного аккумулятора. Можно установить выходное напряжение на уровне 4,1В, в этом случае схема зарядки будет слегка недозаряжать аккумуляторы, при этом 0,1 вольта не сильно скажется на ёмкости аккумулятора, но позволит значительно продлить ему жизнь. Рассмотрим более подробно, какие компоненты нужно применит для сборки данной схемы.

Микросхемы LM317 и TL431. Первая обязательно должна быть в корпусе ТО-220, так как в процессе работы зарядного устройства она будет значительно нагреваться. На её нагрев, в значительно степени будет влиять ток заряда и напряжение, поступающее на вход схемы. Чем больше напряжение на входе, и чем больше ток — те сильнее будет нагреваться микросхема. Её необходимо установить на радиатор с применением теплопроводной пасты, температура радиаторе при долговременной работе не должна превышать 50-60°C, это хорошо скажется на надёжности зарядного устройства. TL431 можно взять в обычном миниатюрном корпуса ТО-92, она нагреваться не будет. Цоколёвки и вид корпусов микросхем представлен на картинке выше.

Светодиоды — здесь всё просто. Можно применить любые светодиоды на 3В, какой угодно формы и цвета. Наиболее логично будет установить D1 красного цвета, а D2 — зелёного, горение зелёного светодиода будет означать, что схема работает и на её выходе присутствует напряжение. Яркость горения светодиодов задаётся резисторами на схеме, включенными последовательно со светодиодами. Все светодиоды имеют два вывода — анод и катод, соответственно это плюс и минус. Как правило, длинная ножка светодиода — плюс, а короткая — минус, важно не перепутать цоколёвку, иначе светодиоды на будут светится.

Несколько слов про резисторы. Они все могут иметь мощность 0,25Вт, кроме двух R1 и R4, эти резисторы будут стоять в цепи питания, а потому через них будет протекать ток заряда, соответственно, будет рассеиваться мощность. Для них нужно взять резисторы мощностью 1-2Вт, этого будет достаточно для рассеивания лишнего тепла. Важно соблюдать номиналы всех резисторов, от них будут зависеть параметры работы схемы.

Ещё один важный элемент схемы — подстроечный резистор RV1, с помощью которого устанавливается напряжение на выходе. Здесь нужно применить многооборотный резистор, например такой, какой показан на картинке выше — его легко отличить на наличию наверху небольшого желтого винта под отвёртку, он должен быть рассчитан на сопротивление 22 кОм. Многооборотный резистор позволяет очень точно установить напряжение на выходе, вплоть до сотых долей вольта. Несколько слов про процедуру настройки. Сперва схему нужно включить «вхолостую», без аккумулятора, подключив на его место вольтметр. Затем, глядя на показания вольтметра вращать переменный резистор в ту или иную сторону для уменьшения или увеличения напряжение на выходе, установив там 4,1-4,2В. На этом процедура настройки схема будет закончена, можно подключать аккумулятор для зарядки.

Изготавливается схема зарядного на компактной печатной плате, которую затем можно поместить в подходящий корпус. При этом корпус зарядного будет включать в себя контакты либо разъём для питания (7-20В) и провода-крокодилы для подключения заряжаемого аккумулятора. Печатная плата прилагается в конце статьи в архиве, открыть её можно с помощью программ Sprint-Layout либо Proteus.

На картинке ниже показана фотография готовой платы. Обратите внимание, что микросхема LM317 впаивается прямо на плату, а потом вместе с платой крепится на радиатор. Светодиоды можно установить как прямо на плату, так и вывести на проводах на панель корпуса. Таким образом, получилось отличное самодельное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов, в отличие от своим заводских аналогов, данная схема позволяет вручную настраивать ток заряда, а также напряжение, до которого будут заряжаться аккумуляторы. Стоит обратить внимание, что аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду, а потому не стоит подключать в выходу схемы аккумулятор, предварительно на настроив порог подстроечным резистором. Удачной сборки!

Источник

Аккумулятор 18650: как заряжать и каким током

Мы уже не представляем свою жизнь без беспроводных девайсов – смартфонов, ноутбуков, ручного электроинструмента, светодиодных фонарей и других портативных устройств.

Для бесперебойной работы устройств, облегчающих быт и увеличивающих нашу мобильность, нужны независимые источники энергии, обеспечивающие длительное время автономной работы – батарейки или аккумуляторы.

Немного о литий-ионных батарейках

Литий-ионные аккумуляторы – одни из самых долговечных источников энергии для мобильных устройств и электроприборов, используемых нами.

Основные достоинства литий-ионной технологии:

• высокая энергоемкость;
• скорость заряда и разряда;
• небольшая величина саморазряда;
• маленькие размеры.

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов – накопление энергии происходит при прохождении ионов лития от анода к катоду через электролит, при разряде идет превращение химической энергии в электрическую, питающей различные устройства.

В литий-ионных АКБ катод изготовлен из солей лития, анод из графита, сепаратор пропитан электролитом в виде органического раствора солей лития.

Выполняются такие АКБ в двух модификациях со строгим соблюдением герметичности:

1. В призматическом исполнении – электроды и сепаратор, изголовленные из прямоугольных пластин, поочередно укладываются друг на друга либо скручиваются в спираль при рулонной сборке и помещаются в корпус с подключенным к нему катодом.
2. В цилиндрическом исполнении – электроды из фольги, разделенные сепараторным материалов, помещены в металлический корпус, на который выведен минусовой электрод.

Справка: Нарушение герметичности корпуса ведет к выходу аккумулятора из строя.

Характеристики батарейки 18650

Один из самых распространенных типов АКБ, применяемых в быту для обеспечения работы ноутбуков, электроинструмента, светодиодных фонарей – аккумулятор 18650:

• первые две цифры (18 мм) – диаметр;
• вторые (65 мм) – длина;
• третья цифра (0) – цилиндр.

По внешнему виду литий-ионный аккумулятор 18650 напоминает привычную всем «пальчиковую» батарейку, незначительно превышая ее в размерах.

Технические характеристики аккумулятора зависят от типа электролита, материала катода и находятся в пределах величин:

• напряжение – номинальное 3,6-3,7 V, возможен разброс от 2,5 V до 4,2 V;
• максимальный разрядный ток – 10-35 A;
• емкость – 1100-3600 mAh.

Справка: Точные параметры указываются производителем на упаковке изделия.

Типы батарей 18650

В зависимости от материала, используемого для изготовления катода, существуют три типа элементов 18650, сведения о которых нанесены на корпус в виде маркировки.

Литий-кобальтовые

Катод изготовлен из оксида лития-кобальта LiCoO2 – характеризуется большой энергоемкостью при средних показателях силы тока.

Срок службы не превышает 500 циклов.

Внимание! Принудительный быстрый заряд или подключение устройств, которые могут быстро разряжать литий-кобальтовый элемент, ведет к возгоранию электролита и разрушению батареи.

Литий-марганцевые

Катод изготовлен из литий-марганцевой шпинели LiMn2O4 – обеспечивает быструю зарядку и высокое значение силы тока разряда до 20-30 А.

Срок службы до 1000 циклов.

Литий-железо-фосфатные

Катод изготовлен из LiFePO4 – характеризуется ровным графиком тока разряда, самой низкой емкостью из линейки 18650 и безопасны в применении.

Срок службы до 2000 циклов.

Общие требования к зарядке аккумуляторов 18650

Аккумулятор как заряжать методом CC/CV – постоянный ток/постоянное напряжение:

• CC – на первом этапе при подаче зарядного напряжения 0,05 В и плавного его увеличения обеспечиваем постоянный ток заряда – величина тока 20-50% от емкости аккумулятора (зарядка работает, как стабилизатор тока);
• после достижения 4,2 В аккумулятор набирает около 80 % емкости, что сигнализирует об окончании первого этапа;
• CV – на втором этапе зарядка идет постоянным напряжением 4,2 В при постепенно снижающемся токе.

Внимание! Необходимо строго соблюдать полярность, иначе при заряде литиевый элемент выйдет из строя: «минус» батареи – плоский, «плюс» имеет несколько отверстий и немного выступает.

Каким током заряжать li-ion аккумулятор 18650

Оптимальный ток заряда – 0,5 А.

Допускается увеличение тока заряда до 1 А – уменьшает время зарядки аккумулятора, однако для сохранения эксплуатационного ресурса благоприятнее плавный заряд.

Сколько заряжается аккумулятор 18650

Время зарядки не более трех часов – ускоренную зарядку применяют в экстренных случаях.

После окончания зарядки аккумулятор отключается от зарядного устройства – долгое нахождение литий-ионных элементов под повышенным напряжением приводит к негативным изменениям электролита и снижает емкость аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор 18650 без зарядного устройства в домашних условиях

Иногда возникает вопрос – как заряжать литий-ионный аккумулятор 18650 подручными средствами, когда заводского зарядного устройства нет под руками.

Как зарядить аккумулятор 18650 зарядкой от телефона

Используем блок питания от кнопочного телефона:

• отрезаем штекер подключения к телефону;
• снимаем оболочку провода;
• разъединяем и зачищаем один-два сантиметра проводов – черный «минус», красный «плюс»;
• правильно соблюдая полярность, плотно прикрепляем оголенные провода к клеммам при помощи скотча или пластилина;
• включаем зарядку в сеть;
• через час зарядки аккумулятор можно снова использовать в качестве источника питания.

Как сделать зарядку для аккумулятора 18650

Простейшее зарядное устройство для аккумулятора 18650 можно сделать самостоятельно на основе ТР 4056 – модуля заряда с линейным зарядом тока и напряжения.

Схема подключения простая – ток заряда задается всего одним резистором.

Для зарядки используется сетевой адаптер или USB-порт любого устройства.

Процесс заряда можно отследить по светодиодам:

• индикатор красный – идет процесс зарядки;
• индикатор зеленый – заряд окончен.

Важно! Для продления срока службы литий-ионного элемента оптимальный заряд в пределах 25-90 %.

Что делать, если 18650 не заряжается

Ситуация, когда батарея не заряжается, возникает после долгого хранения литий-ионных элементов или их переохлаждения.

Большинство элементов 18650 оборудованы контроллером, который защищает АКБ от перезаряда, во время работы предотвращает перегрев и взрывное разрушение.

Контроллер питания отключает банки аккумулятора от клемм при падении напряжения ниже допустимого уровня 2,4 В – измеренное напряжение на клеммах нерабочего аккумулятора 0 В.

Поднять напряжение на аккумуляторе и ограничить предельный ток можно включением резистора в цепь, собрав схему из телефонного блока питания с током выше 0,1 А, резистора на 300-1000 Ом мощностью 0,5-1 Вт и вольтметра. Включаем на одну-две минуты ЗУ в сеть – контролируем напряжение, после того как оно достигнет 3 В, отключаем схему и ставим аккумулятор на зарядку.

Внимание! Проверяем 18650 во время всего процесса заряда, при нагреве сразу отключаем зарядку – сильно греющийся при заряде элемент восстановлению не подлежит.

Как проверить батарейку 18650 на работоспособность

Мультиметром измеряем напряжение – элемент 18650 работоспособен при напряжении на клеммах от 2,4 В до 4,1 В, при снижении напряжения ниже 2,9 В батарея нуждается в зарядке.

Определить емкость 18650 можно замером времени полностью заряженного питания инструмента, например, шуруповерта. Если реальный замер времени меньше указанного на корпусе, элементы нуждаются в зарядке.

Ремонт аккумулятора 18650

Существует два эффективных метода восстановления работоспособности элементов:

1. При наличии платы контроллера попытаться запустить неисправный аккумулятор от рабочего при помощи параллельного соединения с ним – минусовым «плоским» контактом устанавливают оба аккумулятора на металлическую поверхность, плюсовые замыкаем отверткой короткими прикосновениями.
2. Удалить плату защиты с корпуса аккумулятора – если причина была в неисправности схемы контроллера, аккумулятор заработает.

Важно! Восстановление работы 18650 методом параллельного заряда и разряда опасно из-за высокой взрывоопасности водорода и лития.

Чем заменить аккумуляторную батарейку 18650

Аналогов элементов 18650 не существует, но можно в светодиодных фонарях использовать три батарейки класса ААА (через переходник). Напряжение одного элемента 18650 3,7 В близко к суммарному напряжению трех батареек 4,5 В, но светить фонарик будет тускло и недолго – емкость батареек значительно меньше аккумуляторного элемента.

Источник