В настоящее время номенклатура аккумуляторов и аккумуляторных батарей очень широка. Это относится как к их типоразмерам, так и к "начинке". Это приводит к тому, что номенклатура зарядных устройств (ЗУ) для них также велика. Поэтому естественным является желание иметь универсальное ЗУ "на все случаи жизни" или расширить возможности уже имеющегося.
В статье пойдёт речь о зарядке аккумуляторов Li-Ion и Li-FePo4 небольших типоразмеров и "незащищённых", т. е. таких, у которых отсутствует встроенная плата защиты - PCM (англ. Protection Circuit Module). В ЗУ для таких аккумуляторов можно применить микросхему ME4057 [1], которая выгодно отличается от некоторых аналогичных наличием защиты от подключения заряжаемого аккумулятора в неправильной полярности. Дело в том, что у этих аккумуляторов нетрудно перепутать плюсовой и минусовый контакты, поскольку они мало отличаются друг от друга внешне.
Микросхемы серии ME4057 предназначены для зарядки Li-Ion аккумуляторов до напряжения 4,2 В (ME4057В) или 4,34 В (ME4057D). В микросхеме реализован режим CC/CV, что означает Constant Current/Constant Voltage (постоянный ток/постоянное напряжение). При этом зарядка осуществляется в два этапа. Сначала она идёт при постоянном токе Iбат и постепенно повышающемся напряжении, а потом при постоянном напряжении и плавно уменьшающемся токе. Ток зарядки (Iбат ≤ 1 А) можно установить с помощью внешнего резистора. Для сильно разряженных аккумуляторов (менее 2,9 В) включается функция предзарядки - предварительная зарядка малым током Iпред = Iбат/10. Эта микросхема имеет защиту от перегрева, и в случае его возникновения ток зарядки автоматически уменьшается.
Входное напряжение микросхемы ME4057 - 4,5...6,5 В. Но следует учесть, что при большом токе и напряжении более 5,5 В она может сильно разогреваться, что приведёт к уменьшению тока зарядки, а значит, и к увеличению времени зарядки. Поэтому ЗУ на микросхеме ME4057 удобно питать от сетевого источника с USB-гнездом с выходным напряжением 5 В, например, ЗУ от смартфона или другого гаджета. Кроме того, некоторые серийно выпускаемые лабораторные блоки питания снабжены таким гнездом.
Рис. 1.
Схема устройства показана на рис. 1. Микросхема включена по стандартной схеме. Ток зарядки Iбат зависит от сопротивления резистора R1: Iбат = 1300/R1. Светодиоды HL1 (красного свечения) и HL2 (зелёного свечения) индицируют режимы работы устройства. В процессе зарядки светит красный, зелёный погашен. Когда зарядка окончена, светит зелёный, красный - погашен. При отсутствии аккумулятора или плохом контакте красный мигает, зелёный светит. Если подключить аккумулятор в неправильной полярности, оба светодиода гаснут.
Режимы зарядки, используемые в микросхемах серии ME4057, подойдут и для других типов аккумуляторов, например, Li-FePo4, Ni-Cd, Ni-Mh, но только напряжение у них другое. Чтобы адаптировать ЗУ, предназначенное для зарядки Li-Ion аккумуляторов, для зарядки Li-FePo4, Ni-Cd, Ni-Mh, надо только убрать "лишнее" выходное напряжение ЗУ.
Li- Ion и Li-FePo4 аккумуляторы во многом похожи, но есть и принципиальные отличия. В первую очередь, это относится к напряжению. Для Li-Ion максимальное напряжение - 4,2 В (4,34 В - для так называемых высоковольтных), минимальное напряжение - 2,5 В (2,8 В - для так называемых высоковольтных). Для Li-FePo4 максимальное напряжение - 3,6 В, минимальное напряжение - 2,5 В. Получается, что максимальное напряжение Li-FePo4 аккумулятора меньше максимального напряжения Li-Ion примерно на 0,6 В. Это означает, что если последовательно с Li-FePo4 аккумулятором включить элемент, на котором падает напряжение 0,6 В, и подключить их вместе к ЗУ для Li-Ion, можно успешно зарядить Li-FePo4 аккумулятор. Но зарядный ток ЗУ, конечно же, должен соответствовать допустимому для этого аккумулятора.
Таким элементом с падением напряжения 0,6 В может быть кремниевый диод, но лучший результат получится, если применить кремниевый транзистор, у которого база соединена с коллектором. Здесь подходящим оказался транзистор КТ819Г. Поэтому для зарядки Li-Ion аккумулятора его подключают к гнёздам XS3 (+) и XS4 (-Li-Ion), а для зарядки Li-FePo4 аккумулятора его подключают к гнёздам XS3 (+) и XS2 (-Li-FePo4).
Для изготовления ЗУ был использован прозрачный пластмассовый контейнер с внешними размерами 7x12x72 мм от графитовых стержней автоматического карандаша (рис. 2). Исходя из размеров этого корпуса, была разработана двухсторонняя печатная плата, чертёж которой и размещение на ней элементов показаны на рис. 3. Изготовлена она из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.
Рис. 2.
Рис. 3.
Применены резисторы и керамические конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206, светодиоды - KPC-3216URC (HL1) и KPC-3216SGD, KPC-3216SYC (HL2) [2].
Поскольку размеры корпуса не позволили установить на плату транзистор КТ819Г, был применён импортный транзистор в корпусе ТО-126 с неразборчивой маркировкой. Между транзистором и платой, возможно, придётся установить тонкую изолирующую прокладку. Если использовать корпус большего размера, на плату можно установить транзистор КТ819Г. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4.
Рис. 4.
Теперь о подключении аккумуляторов. Для этого можно использовать различные держатели или кассеты, соответствующие типоразмеру заряжаемого аккумулятора. Если планируется заряжать один тип аккумуляторов, такой подход приемлем. При большой номенклатуре удобнее использовать универсальные магнитные контакты, которые надёжно "прилипают" к контактам аккумулятора и обеспечивают надёжный контакт.
Сделать магнитные контакты можно самостоятельно. "Донором" для этого могут послужить, например, вышедшие из строя малогабаритные головные телефоны. Их аккуратно разбирают, поскольку корпус может пригодиться для корпуса магнитного контакта. У них могут быть магниты в виде шайбы. Если шайба ферритовая, она не подойдёт для изготовления магнитного контакта, а если металлическая (это, как правило, более мощный магнит), к ней надо припаять гибкий провод в изоляции. Пред-варительно надо убедиться, что магнит достаточно сильный, чтобы обеспечить надёжный контакт. Паять ледует быстро и легкоплавким припоем, поскольку от перегрева магнит может потерять свои свойства. Аналогичные магниты, только в форме параллелепипеда, можно "добыть" в CD или DVD-приводе от ПК (рис. 5). В недорогих телефонах иногда используют ферритовый кольцевой магнит с железной обоймой.
Рис. 5.
Обойму следует сточить для уменьшения её толщины, она будет выполнять функцию электрического контакта. К другой стороне обоймы припаивают провод в изоляции (рис. 6).
Рис. 6.
Для изготовления магнитного контакта, кроме корпуса телефона можно использовать пластмассовые крышки-колпачки от различных лекарств. Надо подобрать колпачок такого размера, чтобы аккумулятор свободно входил внутрь. Затем внутренности колпачка (или корпуса от головного телефона) заполняют термоклеем, а после его остывания сверлят отверстие, в которое пропускают провод от магнита. С помощью слабо разогретого паяльника вплавляют магнит в термоклей, чтобы он выступал над поверхностью на 0,5...1 мм. В заключение припаивают провода к соответствующим проводникам печатной платы, а магнитные контакты маркируют любым удобным способом (рис. 7). Так можно изготовить контакты для различных типов аккумуляторов. Корпус устройства можно покрасить, при этом оставить прозрачное окно над светодиодами, чтобы было видно их свечение. Внешний вид устройства с заряжаемым аккумулятором показан на рис. 8.
Рис. 7.
Рис. 8.
Аналогичным образом можно подключить к такому ЗУ один или два соединённых последовательно Ni-Cd или Ni-Mh аккумулятора, только потребуется убрать "лишнее" напряжение. Сделать это можно на основе различных схемных решений.
Чертёж печатной платы в формате Sprint LayOut имеется здесь.
Литература
1. ME4057. 1A Lithium Ion Battery Linear Charger ME4057. - URL: http://www.datasheet-pdf.com/ PDF/ME4057-Datasheet-Microne-967807 (21.01.21).
2. Светодиод маломощный KPC-3216. - URL: https://www.compel. ru/series/KGB/KPC-3216 (20.01.21).
Автор: И. Нечаев, г. Москва