"Вторая жизнь" модулей защиты Li-Ion аккумуляторов

"Вторая жизнь" модулей защиты Li-Ion аккумуляторов
И. Нечаев, г. Москва

LI-Ion аккумуляторы являются, наверное, самыми массовыми источниками автономного питания. Многие из этих аккумуляторов, особенно те, которые предназначены для питания относительно малогабаритных гаджетов (сотовые телефоны и т. д.), имеют встроенный модуль защиты (рис. 1). Основное назначение этого модуля — предохранить аккумулятор от перезарядки, перегрузки по току и от КЗ, а также чрезмерной разрядки. Основные компоненты этого узла — специализированная микросхема и сборка (2 шт.) полевых транзисторов с n-каналом. Кроме того, в состав модуля входят и другие элементы: резисторы, иногда терморезистор и конденсаторы. Терморезистор применяется для контроля температуры аккумулятора.

Специализированная микросхема — в большинстве случаев DW01-P [1] и её многочисленные клоны. Впрочем, возможно, она сама является клоном. Эта микросхема в корпусе SOT-23-6, а её структурная схема показана на рис. 2. Аккумулятор подключают к контактам VCC и GND. К этим контактам подключены два встроенных компаратора, которые контролируют напряжение аккумулятора. Вход CS предназначен для контроля тока аккумулятора, за это отвечают ещё три компаратора, подключённых к этому входу. Выходы OD и ОС предназначены для управления полевыми транзисторами.
Следует отметить, что микросхема очень экономичная, потребляемый ток — несколько микроампер. Примеры транзисторных сборок — FS82205A [2] и А08814 [3], их отличительная особенность — стоки транзисторов объединены. Эта и другие аналогичные сборки могут быть в корпусах SOT-23-6, SO-8, TSSOP-8. Транзисторы допускают протекание через них тока до 4...6 А и обладают малым сопротивлением открытого канала (0,025 Ом) и небольшим напряжением открывания (0,4...1 В).

Микросхему и транзисторную сборку, конечно же, можно демонтировать с платы модуля защиты и использовать отдельно, но и для целого модуля найдётся работа. Простой классический вариант схемы модуля защиты показан на рис. 3.
Следует отметить, что практически во всех случаях контакты ХТ1 и ХТ2 соединены на плате модуля. Не вдаваясь в подробности, можно отметить, что в зависимости от напряжения аккумулятора и режима работы (зарядка или разрядка) могут быть открыты или закрыты один или два транзистора. В режиме разрядки транзисторы открыты, и сопротивление их каналов используется как датчик тока. Если ток нагрузки превысит несколько ампер, транзисторы закрываются, защищая аккумулятор от перегрузки по току или КЗ в цепи нагрузки. При снижении напряжения аккумулятора ниже минимального значения один из транзисторов закрывается, прекращая дальнейшую разрядку. Если в процессе зарядки напряжение аккумулятора превысит максимальное значение, закроется один из транзисторов, прекращая зарядку.

Эти функции модуля защиты позволяют сделать на нём пороговое устройство, например индикатор напряжения или устройство защиты от перегрузки по току и КЗ. Если модуль собран на микросхеме DW01-P, светодиоды можно подключить к её выходам OD (вывод 1) и ОС (вывод 3), которые управляют полевыми транзисторами (см. рис. 2 и рис. 3). Если подключить светодиод повышенной яркости к выводу 3, при напряжении на контактах ХТ1, ХТ2 менее 4,2 В (но не меньше номинального напряжения светодиода) он будет светить. При напряжении на контактах ХТ1, ХТ2 более 4,2 В светодиод погаснет. Подключать светодиод можно без токоограничивающего резистора, поскольку выходной ток вывода 3 мал и яркость свечения светодиода будет невелика. Но у некоторых типов модулей такой вариант подключения светодиода приводил к неустойчивой работе индикатора.

Следует отметить, что "штатное" включение, когда напряжение подавалось на контакты ХТ1, ХТ2, а светодиод с токоограничивающим резистором — к контактам ХТЗ, ХТ4, приводило к неустойчивой работе. Чтобы индикаторный светодиод светил ярко, можно изменить схему включения модуля защиты, она показана на рис. 4.
Здесь контролируемое напряжение поступает на контакты ХТЗ и ХТ4, которые в штатном режиме предназначены для подключения нагрузки или ЗУ. Индикаторный светодиод HL1 с токоограничивающим резистором R1 подключён к контактам ХТ1 и ХТ2 для аккумулятора. После подачи напряжения в пределах 2,2...4,1 В светодиод (должен иметь номинальное напряжение не менее 2,4 В) вроде бы должен загораться. У некоторых это было так, у некоторых — нет. У некоторых светодиод выключался при напряжении 4.2 В. а снижение не приводило к его включению. Чтобы он снова стал светить, требовалось отключение напряжения, и после его подачи (2.2...4.1 В) устройство возвращалось в исходное состояние. Обусловлено это, видимо, тем, что когда транзисторы закрываются, на светодиод напряжение не поступает, и такое состояние для модуля является устойчивым. Дело в том, что ток утечки через закрытые полевые транзисторы мал и напряжения на контактах XT 1, ХТ2 недостаточно для включения модуля.

Такой вариант индикатора неудобен, и чтобы устранить этот недостаток, между контактами ХТ2 и ХТ4 был установлен резистор сопротивлением 100 кОм (рис. 5). После этого светодиод начинал светить, когда напряжение превышало его номинальное напряжение. При достижении напряжения около 4,2 В светодиод выключался и включался только при снижении напряжения до 2...3 В (в зависимости от цвета свечения светодиода), далее при увеличении напряжения до 4,25 В снова выключался. Причём переключения происходили с некоторым замедлением.

Для такого модуля взамен резистора R2 была установлена кнопка с самовозвратом (рис. 5), и алгоритм работы индикатора изменился. Если напряжение находилось в пределах 2,2...4,2 В, нажатие на кнопку приводило к включению светодиода и он оставался включённым. При превышении напряжения 4,2 В светодиод погасал и включался только при возвращении напряжения в норму и после нажатия на кнопку или после обесточивания и подачи нормального напряжения. Порог выключения светодиода можно увеличить почти до 10 В (предельное напряжение питания микросхемы модуля). Для этого индикатор надо собрать по схеме на рис. 6.

Однако так работали не все модули защиты. У некоторых при включении в соответствии с рис. 4 при превышении напряжении 4,2 В светодиод начинал вспыхивать с частотой в доли герца. Причём у светодиода красного свечения в паузе яркость не уменьшалась до нуля, а вот у светодиода белого свечения она была нулевой. Кроме того, при увеличении напряжения до 10 В частота вспышек увеличивалась в несколько раз. При напряжении менее 4,2 В светодиоды светили постоянно до тех пор, пока им хватало напряжения. На основе такого модуля защиты можно сделать неплохой индикатор, который сигнализирует о превышении напряжения вспышками светодиода. Для увеличения порогового напряжения индикатор можно собрать по схеме, показанной на рис. 6, при этом резистор R3 оказался не нужен. Кроме того, у некоторых модулей частота вспышек оказалась настолько большой, что они стали незаметными. Чтобы уменьшить частоту вспышек для такого модуля, индикатор можно собрать по схеме, показанной на рис. 7.

Если включить светодиод и токоограничивающий резистор немного иначе (рис. 8), получится индикатор, работающий по-другому. При установке светодиода красного свечения (номинальное напряжение — 1,7 В) он загорался при превышении напряжения 4,2 В и оставался включённым при снижении напряжения до 2,2 В. При меньшем напряжении светодиод выключался и включался снова при напряжении 4,2 В и более. При использовании светодиода белого свечения (номинальное напряжение — 3,3 В) он загорался при превышении напряжения 4.2 В и при этом мигал, а при напряжении 4,7 В и более светил постоянно.
Он выключался при напряжении менее 4,2 В. При использовании другого модуля пороги переключения были другими. Для светодиода красного свечения напряжение включения и выключения было 5.9 В. т. е. больше на напряжение светодиода (1,7 В). При этом в пределах 5,9...6 В светодиод вспыхивал, а затем светил постоянно. Для светодиода белого свечения (3 В) напряжение включения индикатора — 6,5 В, при этом были вспышки, а при напряжении 7.3 В свечение становилось постоянным. В этих индикаторах максимальную яркость свечения светодиода можно изменить подборкой включённого последовательно с ним токоограничиваю-щего резистора. Чем меньше сопротивление, тем больше яркость.

Таким образом, при одинаковой схеме включения, но разных модулях и светодиодах разного типа, как говорится, получаются не "две большие разницы", а гораздо больше.

Ещё одна функция модуля защиты — защита аккумулятора от перегрузки по току или КЗ в цепи нагрузки. В этом случае используется штатная схема включения — источник питания подключён к контактам ХТ1, ХТ2, а нагрузка — к контактам ХТЗ. ХТ4 (рис. 9). При этом надо сначала подать напряжение на модуль защиты, а затем подключать нагрузку. Напряжение источника питания 2,2...4.2 В практически без потерь проходит через модуль защиты на нагрузку.
Если ток нагрузки превысит несколько ампер или в её цепи возникнет КЗ. один из полевых транзисторов (см. рис. 3) закроется и нагрузка обес-точится. Между контактами ХТ2 и ХТ4 появится напряжение и станет светить светодиод HL1, сигнализируя об аварии. В этом случае через нагрузку будет протекать только ток светодиода. Такое состояние будет устойчивым, и чтобы вернуть устройство в исходное состояние (конечно, после устранения аварии), надо отключить нагрузку. Чтобы использовать модуль защиты в цепях с напряжением более 4,2 В, надо застабилизи-ровать напряжение питания модуля, как показано на рис. 10

Следует отметить, что эксперименты проведены всего с несколькими модулями защиты от разных аккумуляторов, и не все они работали, как описано выше, некоторые из них "капризничали". Обусловлено это может быть тем, что у них более "хитрые" режимы работы, а возможно, что они были частично неисправны. Кроме того, схемы модулей защиты хоть и похожи, но не одинаковы. Поэтому у разных производителей они имеют определённые функциональные отличия. На практике это может означать, что существует множество вариантов включения модулей защиты для реализации того или иного устройства. Здесь открывается широкое поле для проведения экспериментов.

ЗУ для аккумулятора типоразмера 6F22

Проблема зарядки аккумуляторов различных типов для радиолюбителей всегда была актуальной. Решается она различными путями, как приобретением готовых изделий, так и самостоятельным изготовлением. Далее рассказано, как сделать сравнительно простое ЗУ для аккумуляторной Ni-Cd (Ni-Mh) батареи типоразмера 6F22. Эта батарея содержит семь таких аккумуляторов и заряжается до максимального напряжения 9,8 В. Для её зарядки потребуются источник питания напряжением 12 В и собственно ЗУ, которое можно сделать из модуля защиты Li-Ion аккумулятора. Основное назначение этого модуля — предохранить аккумулятор от перезарядки, перегрузки по току и от КЗ, а также чрезмерной разрядки. О некоторых свойствах и параметрах таких модулей защиты было рассказано ранее. В этом случае используется свойство модуля как порогового выключателя.

Схема зарядного устройства показана на рис. 11.
Здесь использован модуль защиты, показанный на рис. 12, и использованы его пороговые свойства. Заряжаемую батарею подключают к гнезду XI (колодка от батареи "Крона").
Если напряжение батареи меньше установленного порога сопротивления полевых транзисторов, включённых между контактами ХТ2 и ХТ4 мало, поэтому минусовое напряжение источника питания практически без потерь поступает на минусовую клемму разьёма Х1. На плюсовую клемму этого разьёма через токозадающий резистор R2 и цепь HL1R3 поступает плюсовое напряжение источника питания. Резистор R1 подключён параллельно заряжаемой батарее, и с его помощью устанавливают напряжение, при котором происходит прекращение зарядки. Диод VD1 — защитный, он предохраняет устройство от подачи питающего напряжения в неправильной полярности.

Если батарея разряжена, после её подключения и подачи питающего напряжения происходит зарядка батареи аккумуляторов. За счёт тока зарядки светодиод HL1 светит, сигнализируя об этом процессе. Так будет до тех пор, пока напряжение на батарее не достигнет порогового значения. После этого один из полевых транзисторов в модуле защиты закрывается, зарядка прекращается, а светодиод HL1 гаснет, сигнализируя о завершении процесса.

Устройство содержит мало деталей, поэтому их можно разместить в корпусе небольшого размера. Например. подойдёт корпус от батареи "Крона" вместе с колодкой питания. Но у неё корпус металлический, что требует изоляции элементов устройства от такого корпуса. Подходящим оказался другой вариант — пластмассовый корпус от вилки или розетки DB-9 (рис. 13).
На место разьёма гнезда хорошо устанавливается колодка питания от батареи "Крона" (рис. 14). возможно, колодку придётся немного подточить по широкой стороне надфилем.

Все детали размещают в корпусе разьёма и фиксируют с помощью термоклея (рис. 15). Для светодиода и подстроечного резистора в корпусе сделаны отверстия соответствующего диаметра.
Здесь применён подстроечный резистор СПЗ-19 или импортный малогабаритный, постоянные резисторы — МЛТ, C2-23. светодиод — красного свечения повышенной яркости в корпусе диаметром 3 мм. Ток зарядки устанавливают подборкой резистора R2: U = <и_пи1 - U^, - IU/R2, где U^, -напряжение на диоде VD1, U_6et — напряжение батареи. При этом следует учесть и ток через светодиод: W. = (U_nH, - U*., - - который тоже протекает через батарею. Максимальный ток зарядки будет при разряженной батарее, и по мере её зарядки он будет уменьшаться.

Внешний вид ЗУ вместе с заряжаемым аккумулятором показан на рис. 16. Это ЗУ можно перенастроить на зарядку батарей с меньшим напряжением. например, батарей из трёх-четырёх последовательно соединённых Ni-Cd или Ni-Mh аккумуляторов.

Paдио 4,5 2021