Итак. Все началось с того, что друг заказал на ebay.com устройство под названием Power Bank. Девайс, сам по себе, довольно полезный, когда не совсем китайский ну и стоит раза в 2 дороже. Этот же был заказан как раз для экспериментов и доработок. Примерно через месяц прибор приполз на местное отделение почты, а затем попал к нам в руки:
Такой вот ничем ни примечательный черный глянцевый корпус. Сверху находится какая-то кнопка и то, что должно быть индикатором уровня. На одном торце корпуса находится miniUSB разъем для зарядки устройства, а на другом – два USB разъема для подключения мобильной техники. Китайцы обещают на них 5В с токами 1А и 2.1А.
Через несколько дней он был подвергнут безжалостной разборке, для этого, в принципе и был заказан. Разобрать это чудо техники оказалось совсем на просто, китайцы намертво заклеили корпус по периметру. И вот, после полу часа мучений нашему взору предстала следующая картина:
Внутри оказалось 4 аккумулятора формата 18650, такие же как в батареях ноутбуков (как раз такие аккумуляторы были подготовлены перед заказом девайса), при этом подключенными оказались только два из них. Как позже выяснилось, неподключенные аккумуляторы не подавали никаких признаков жизни и уже начали покрываться ржавчиной под полиэтиленовой оберткой. В связи с чем были незамедлительно отправлены на помойку.
Между аккумуляторами уютно пристроилась плата управления, которая содержала:
- повышающий STEP-UP преобразователь на какой-то неизвестной микросхеме с номиналом 8628 (даташит на нее найти так и не удалось);
- схему контроля уровня напряжения для предотвращения переразряда аккумуляторов и по совместительству зарядное устройство на двух микросхемах DW01 (микросхема контроля) и 8205А (два MOSFET транзистора);
- пару транзисторов для включения "индикатора уровня заряда";
- "индикатор уровня заряда", который на самом деле оказался четырьмя светодиодами, включенными параллельно.
Схему преобразователя мы трогать не стали, т.к. для зарядки телефона его вполне хватает. Кроме этого присутствует защита от перегрузки по току. Да, USB разъемы, помеченные 5В 1А и 5В 2.1А, включены параллельно. А вот схемой контроля / зарядки занялись вплотную. Она оказалась стандартной, такие ставят на обычные литиевые аккумуляторы. Выглядит она вот так:
MOSFET транзисторы М1 и М2 как раз и являются микросхемой 8205А. От дальнейшего использования ее в качестве зарядного устройства пришлось отказаться. Во-первых при подключении 4-х аккумуляторов она достаточно сильно грелась, а во вторых на сами аккумуляторы подавалось около 5В. Да и заряжать 4 аккумулятора включенных параллельно да еще и без контроля температуры, не самая лучшая идея. Поэтому начался поиск альтернативного решения. Выбор пал на микросхемы TP4056. Характеристики у нее такие:
- напряжение питания от 4 до 8В. (типовое 5В.);
- настраиваемый ток заряда. максимальный ток 1А;
- уровень напряжения зарядки аккумуляторов 4.2В;
- контроль температуры при помощи терморезистора с отрицательным ТКС;
- минимум внешних компонентов.
Схема включения в от такая (взята из даташита):
Получается очень удобная штука, требуется только задать уровень тока зарядки резистором Rprog и подать питание, а об остальном микросхема позаботится сама. Китайцы, кстати, выпускают готовые модули для зарядки литиевых аккумуляторов, но подключения терморезистора там не предусмотрено, что является огромным минусом.
Сами микросхемы были заказаны с того же ebay, в количестве 5шт. Сначала предполагалось сделать отдельный канал на каждый аккумулятор, но из-за ограничения в свободном пространстве, пришлось ограничиться двумя каналами и соединить аккумуляторы парами (тем более в батарее для ноутбука сделано точно так же). В итоге родилась вот такая схема:
Как видно, кроме схемы зарядного устройства в устройство добавились два индикаторных светодиода. HL1 загорается при окончании процесса зарядки обеими микросхемами, т.е. пока одна из них продолжает зарядку и сигнал об окончании не выдается, гореть светодиод не будет. Светодиод HL2 загорается в том случае, если одна из микросхем перестанет выдавать сигнал о нормальной работе (т.е. произошел перегрев, обрыв, сдох аккумулятор и т.п.). А пока обе микросхемы говорят, что все хорошо, светодиод погашен. Пары аккумуляторов соединены через диоды, чтобы исключить влияние микросхем друг на друга в процессе работы. Диод следует выбирать с наименьшим сопротивлением перехода, иначе напряжение на выходе будет заметно ниже напряжения на аккумуляторах и схема контроля будет отключать преобразователь слишком рано. Я взял диодную сборку S30SC4M из компьютерного блока питания, падение напряжения составило 0.25В. Достаточно неплохой результат, хотя и не идеал. Ток заряда настраиваем исходя из параметров зарядного устройства. Как оказалось, ни одно из имеющихся у нас не дает ток больше 1А. Поэтому зарядный ток на каждую пару аккумуляторов ограничен на уровне 0.5А. Микросхемам как раз комфортно работать, а вот при большем токе придется продумать охлаждение микросхем. Терморезисторы были выпаяны из батареи для ноутбука. При комнатной температуре имели сопротивление в районе 8К. Микросхема считает ситуацию аварийной, если напряжение на первом выводе станет меньше 45% от питающего (2.25В) или выше 80% от питающего (4В.). Исходя из этого были подобраны номиналы резистивного делителя на выводе 1 микросхем. В итоге при комнатной температуре на вывод TEMP приходит около 3В. при комнатной температуре.
Все это дело было собрано вот на такой плате:
Шедевром ее не назвать, но переделывать было, честно говоря, лень. Тем более, что эта плата работает нормально, ни обрывов ни КЗ на ней нет, а пара расплывшихся дорожек еще никому не мешали. "Лопухи" по обеим сторонам платы являются терморезисторами и как раз удобно ложатся под аккумуляторы. Да, резисторы на 0.5 Ом найти не удалось, поэтому впаял два резистора на 1 Ом. параллельно "бутербродом".
Теперь настал самый интересный момент, соединение двух плат – китайской и нашей. Перед началом процедуры объединения надо провести некоторые доработки того, что было установлено в устройстве изначально. Во-первых – по какой-то непонятной причине китайцы сделали так, что при подаче внешнего питания на плату запускался преобразователь и молотил в пустую. Во-вторых начинали светиться светодиоды "индикатора уровня", что ночью довольно сильно мешает. Итак, берем плату и начинаем выпаивать из нее лишние элементы:
А именно диод (чтобы не было лишнего падения напряжения, да и грелся он не слабо, позже был удален и резистор с номиналом R470), и резистор на 100К. (как раз через него и контролировался факт подачи питающего напряжения). Заодно меняем резисторы в обвязке DW01 в соответствии с даташитом – 470 Ом на 100 Ом, и 2К на 1К. (на фото они еще не поменяны). На обратной стороне платы так же делаем некоторые изменения:
Разделяем входную и выходную земли. Теперь на управление подачей напряжения на преобразователь полностью зависит от микросхемы DW01. и подпаиваем провода:
Левый провод +, правый -. Соответственно позже, после исключения резистора R470, плюсовой провод паяется на площадку возле miniUSB разъема. Сам же резистор выполнял чисто защитную функцию, но т.к. у нас на каждой микросхеме стоит отдельный резистор на 0.5 Ом, этот является лишним.
Позднее оказалось, что надо произвести еще одну доработку платы:
Пришлось подключить кнопку напрямую к минусу аккумуляторов. Это связано с тем, что в схеме присутствует защита от перегрузки по току (как уже говорилось выше). Встроена она все в ту же микросхему DW01 и с двумя убитыми аккумуляторами она работала нормально (при повышении нагрузки просто проседал ток на аккумуляторах), а вот с четырьмя начались чудеса. Оказалось, если подключить на зарядку сразу два телефона, схема контроля сразу же отключает аккумуляторы от преобразователя. А вот включать обратно ни в какую не хочет. Помогало либо переподключение аккумуляторов, либо кратковременная подача минуса питания в обход схемы контроля. Естественно, второй способ гораздо проще и удобнее. Поэтому кнопка была подключена напрямую к минусу аккумуляторов, с обратной стороны был убран транзистор 1А (подключен как раз параллельно кнопке, запускал "индикатор уровня" при подключении внешнего питания), который можно увидеть чуть ниже дросселя, а на его место впаяны последовательно соединенный диод и резистор на 470 Ом. Катод диода паяем на площадку коллектора (нижний на фото), а резистор на площадку эмиттера (левый на фото). Место соединения резистор и диода очень удобно пришлось на площадку базы, которая после удаления резистора на 100К осталась абсолютно свободной. Резистор и диод нужны для защиты схемы (может у нас на выходе КЗ, а мы минус напрямую подаем). Теперь после срабатывания защиты, достаточно отключить нагрузку и нажать на кнопку.
Вот теперь все готово к воссоединению. В нашей плате контактные площадки выведены точно напротив контактных площадок на китайской плате. К этим площадкам раньше были подключены аккумуляторы. Я же просто взял и просверлил в них отверстия. Затем впаял в свою плату два толстых вывода, оставшихся после пайки диодного моста, а затем впаял их в основную плату, припаял светодиоды, провода от аккумуляторов и питания (минус аккумуляторов подключается туда же, где был изначально, возле USB разъемов и минус питания с miniUSB разъема идет туда же). Думаю, что в графическом виде будет понятнее, ведь лучше один раз увидеть чем.
А на деле это все выглядит вот так:
В таком виде все это дело проверялось в течении двух суток, а затем было упаковано обратно в корпус:
Для светодиодов были просверлены отверстия возле miniUSB разъема. Левый светодиод сигнализирует об окончании зарядки, а правый о наличии аварии. Дополнительная плата стала идеально, как будто китайцы именно для нее и оставили место
Подключаем зарядное устройство, но только не то, что шло в комплекте, а нормальное, честно выдающее 1А. 5В. на выходе. Ждем некоторое время и.
Зарядка окончена, можно пользоваться. Полного заряда хватает на 3-4 полные зарядки телефона. При том что в это время этим самым телефоном пользуются и аккумуляторы были установлены не новые. Цель достигнута, на выходе получилось полноценное портативное зарядное устройство.
Сегодня устройства типа Power bank (автономное зарядное устройство) прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Они значительно облегчают использование всевозможных современных энергоемких гаджетов, таких как планшеты и смартфоны, так как позволяют быстро подзарядиться практически в любых условиях, когда вы находитесь вдали от розетки.
У самых простых Power bank имеется только один тип выхода- USB, который является наиболее популярным. В более продвинутых зарядных устройствах можно найти выходы с напряжением, ставшим стандартным напряжением питания для низковольтных устройств,- 12В. Это значительно расширяет область применения таких Power bank`ов, так как от 12В работает практически любая автомобильная электроника и множество других электрических потребителей. А при использовании инвертора можно получить и 220В при желании.
Краеугольным камнем в таких Power bank`ах становится вопрос емкости. Применение современных высокоёмких Li-ion аккумуляторов позволяет создать в компактном размере источник питания достаточной емкости для того, чтобы запитать какое-либо 12 вольтовое устройство в течении нескольких часов.
К сожалению, производители зачастую экономят именно на качестве встраиваемых литиевых элементов питания для уменьшения общей стоимости зарядного устройства, что негативно сказывается на времени работы Power bank. Поэтому мы хотим рассказать вам как самому изготовить Power Bank используя комплект, состоящий из многофункционального DC-DC преобразователя, платы защиты и корпуса и высококачественные литиевые аккумуляторы распространенного типоразмера 18650.
Нам понадобятся:
Комплект для сборки Power Bank модели HCX-284 состоящий из непосредственно многофункционального DC-DC преобразователя, платы защиты (PCM) для Li-ion аккумуляторов и металлического корпуса для 4ех Li-Ion аккумуляторов 18650. В качестве литиевых элементов возьмем 4 Li-ion аккумулятора Panasonic модели NCR18650B 3,6В емкостью 3400мАч
Преобразователь HCX-284 имеет стабилизированный 12В выход с максимальным током нагрузки 4А и 5ти вольтовый USB разъем с максимальным током 1А. В качестве зарядки для нашего Power Bank можно использовать любой 12В блок питания с штыревым разъемом размера 5,5 х 2,5 мм и максимальным током не менее 1,5А. Можно, конечно, использовать и менее мощный блок питания, но процесс заряда в этом случае может занять достаточно продолжительное время.
Принцип работы нашего Power Bank следующий:
С аккумуляторной сборки из 4ех последовательно-соединенных (4S) Li-Ion аккумуляторов мы получаем номинальное напряжение 14,8В. Точнее, это напряжение, в процессе работы, будет меняться от 16,8В (полностью заряженная батарея) до 12В (полностью разряженная). Непосредственно к аккумуляторам подключается плата защиты PCM. Она будет контролировать эти верхние и нижние напряжения, не позволяя им выйти за крайние значения и оберегая литиевые ячейки от перезаряда и переразряда.
С платы защиты напряжение подается на вход понижающего DC-DC преобразователя, который и превращает наши 16,8 – 12В с аккумуляторов в стабилизированные 12В и 5В на соответствующих разъемах.
При зарядке аккумуляторов 12 вольт с входа "DC In" стабилизатора преобразуются в 16,8В необходимые для заряда 4S Li-Ion аккумуляторной батареи. Максимальный ток, подающийся на аккумуляторы, составляет 1А и не зависит от мощности вашего блока питания. Это позволяет использовать в комплекте с HCX-284 литиевые аккумуляторы с минимальной емкостью около 2000мач, у которых ток заряда не должен превышать половины значения от емкости, т.е. примерно 1А.
1. Склеиваем при помощи термоклея батарею из четырех Li-Ion аккумуляторов Panasonic модели NCR18650B.
Термоклей лучше использовать с низкой температурой плавления для исключения локального перегрева аккумуляторов. Обращаем внимание на качество клеевых швов- они не должны выступать за габариты батареи иначе она просто не влезет в корпус.
2. Мы используем специальные электрические изоляторы для исключения контакта никелевой сварочной ленты и корпуса аккумуляторов.
3. Свариваем Li-Ion ячейки в 4S батарею при помощи никелевой ленты 5х0,127мм и сварочного станка для контактной сварки. Паять Li-Ion аккумуляторы не рекомендуется из-за того, что они боятся перегрева, что может сильно уменьшить их ресурс. Так как токи в нашей батареи будут в пределах 3-4 ампер такой толщины ленты будет более чем достаточно.
Сразу формируем выводы всех напряжений для последующей пайки проводами к контрольным контактам на плате PCM.
4. Устанавливаем PCM на батарею. Силовые контакты формируем используя только ленту. Это более надежно и компактнее. Контрольные напряжения подключаем к плате проводами самого минимального сечения. Мы применили МГШВ 0,2мм, но можно использовать провод и, к примеру, МГТФ 0,14мм.
Подключать контакты контроллера надо в последовательности от "минимального" к "максимальному", т.е сначала "B-", затем +3,7В, 7,4В, 11,1В и последним "В+"
5. Выводы с PCM делаем проводом ПУГВ 0,5мм. Длина выводов должна быть не более 2 см. Закрываем торцы батареи изоляционным к артоном и упаковываем аккумуляторы в тонкую термоусадочную пленку.
На этом этапе у нас получилась защищенная батарея, которую можно использовать без опаски перезарядить или переразрядить. Но на выходах, пока, мы имеем нестабилизированное напряжение, которое будет меняться в процессе разряда от 16,8В до 12В.
6. Подключаем батарею к плате стабилизатора. Для этого подсоединяем черный "минусовой" провод к контакту "P-", а красный "плюсовой" провод к контакту "P+" При этом, стабилизатор однократно моргнёт всеми тремя светодиодами.
7. Устанавливаем батарею с припаянным стабилизатором в корпус. Начинаем установку именно с батареи, затем стабилизатор. Плата стабилизатора устанавливается в специальные пазы корпуса.
8. Закрываем торцы корпуса специальными заглушками, идущими в комплекте и наклеиваем декоративные наклейки.
Все. Наш собственноручно изготовленный PowerBank готов. Проверяем работу, нажимая на единственную кнопочку, которая, при неподключенных разъемах, включает индикацию уровня заряда, которая показывает, что сейчас наши аккумуляторы полностью заряжены.
При использовании Power Bank HCX-284 надо учитывать один нюанс: выход 12В осуществлен при помощи розетки для штыревого разъема питания размером 4х1,7мм. Надо отметить, что такой типоразмер является малораспространенным и в свободной продаже его найти проблематично. Именно поэтому мы прилагаем провод с припаянным штыревым разъемом в комплект к набору HCX-284.
Давайте посчитаем итоговую емкость нашего Power Bank`а:
Мы использовали 4 аккумулятора Panasonic модели NCR18650B 3,6В емкостью 3400мач. Итого мы получаем 3,4А/ч при напряжении 14,8В.
Но у нас на выходе 2 напряжения 5В и 12В. Также надо учитывать, что КПД преобразователя составляет около 90%.
Соответственно, при 5В емкость нашего аккумулятора составит ((14,8*3,4)*0,9)/5 = 9,05Ач Это означает, что при пяти-вольтовой нагрузке током 1А наш Power Bank проработает около 9 часов!
При 12В емкость составит: ((14,8*3,4)*0,9)/12 = 3,77Ач
Вот, в принципе, и весь процесс. По времени, при наличии опыта и инструмента, он занимает около 1 часа.
Если вы не уверенны в своих силах, мы можем собрать для вас Power Bank с использованием любых Li-Ion аккумуляторов, присутствующих в нашем каталоге.
В нашем магазине есть уже собранные, готовые к использованию Power Bank`и на основе набора H284.
Аккумуляторы я взял из старой батареи от ноутбука, типоразмер 18650, для их зарядки решил использовать китайскую микросхему TP4056, специально разработанную для зарядки Li-Ion аккумуляторов, а повышающий преобразователь, построенный на микросхеме CE8301, купил в виде готового модуля. Микросхемы и модули, заказывал на eBay.com.
TP4056 имеет ряд положительных особенностей, а именно:
1. Защита аккумуляторов от перезаряда и перегрева
2. Небольшое количество внешних элементов
3. Индикация режимов работы
4. Регулируемый ток заряда
5. Низкая стоимость
6. И т.д. и т.п.
Схема включения TP4056
Регулировка тока заряда осуществляется резистором Rprog. Я поставил 2,2 кОм, ток зарядки 500мА.
CE8301 имеет миллион подобных аналогов, особо зацикливаться на нём не стоит, скажу лишь, что работает он от 0,9В до 5В, при этом на выходе держит 5В 500мА(600мА максимум), чего вполне достаточно для зарядки большинства мобильных телефонов и фотокамер.
Схема включения CE8301
Готовое устройство хотелось сделать достаточно функциональным, поэтому я решил использовать 2 преобразователя, если придётся заряжать сразу пару устройств, а для аккумуляторов решил взять аж 4 микросхемы TP4056, чтобы можно было использовать аккумуляторы с разной ёмкостью.
Для того чтобы микросхемы TP4056 не влияли друг на друга аккумуляторы соединил через диоды Шоттки, с падением 0,2 Вольта.
Итоговая схема получилась такой
Дальше развёл печатную плату для TP4056
И смонтировал все компоненты
Чёрные капельки с надписью 103 это терморезисторы на 10кОм.
Плата получилась довольно компактной с учётом того, что из SMD компонентов были использованы только конденсаторы на 10мкФ и микросхемы TP4056. При пайке подкладывал под корпус микросхем кусочки малярного (бумажного) скотча, чтобы теплоотвод микросхем не замыкал дорожки.
Схема отлично работает, ничего не нагревается. Во время зарядки горит красный светодиод, когда напряжение на аккумуляторе достигает 4,2В, красный светодиод тухнет и загорается зелёный – зарядка прекращается. Если сработала тепловая защита, светодиоды не горят, а если к схеме не подключен аккумулятор, зелёный горит, а красный мигает. Зарядка банок одной ёмкости и с одинаковым остаточным напряжением происходит достаточно синхронно. В общем, я получил именно то, что хотел.
Пока собрал всё на проводах, телефон с аккумулятором 2200 мА/ч от двух банок такой же ёмкости с напряжением 4,2В заряжается примерно за 5 часов, при этом остаточное напряжение на банках составляет около 3,5В.
Сейчас заказал новые аккумуляторы большей ёмкости и думаю как лучше изготовить корпус.
