Модуль заряда tp4056 micro usb с защитой
Обновлено: 01.07.2024
Прогресс в сфере носимой коммуникационной электроники, такой как мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки, происходит быстрыми темпами, и даже можно сказать скачками. Современные портативные устройства хотя и выполнены на экономичных и энерго-эффективных чипах и процессорах, но в общей сложности, ввиду своей многофункциональности, энергопотребление устройства в целом довольно велико, и следовательно требует ёмких аккумуляторов питания и мощных зарядных устройств для этих аккумуляторов. Это всё ничего, но такими зарядными устройствами невозможно корректно зарядить аккумуляторы малой ёмкости, которые зачастую достаются радиолюбителю из старых мобильных телефонов или разобранных батарей ноутбуков:
Аккумуляторы старых мобильных телефонов и из разобранной батареи ноутбука
Такие аккумуляторы, как правило, извлекаются из отработавших определённый срок устройств, и характеризуются пониженной ёмкостью и возросшим внутренним сопротивлением. Их вполне можно использовать в различных радиолюбительских самоделках с автономным питанием и сравнительно низким энергопотреблением, но если заряжать такие аккумуляторы стандартными современными средствами током большой величины, то прекращение заряда будет происходить при их неполной зарядке, что нецелесообразно, и не позволит задействовать весь оставшийся ресурс.
Описание
Как раз для корректной и полной зарядки отработавших и потерявших свои первоначальные свойства аккумуляторов и разрабатывалось предлагаемое простое зарядное устройство, максимальный зарядный ток которого не превышает 350 мА, а процесс зарядки производится методом ток-напряжение до значения 4,35 В. Имеется индикация режима зарядки и защита самого устройства от короткого замыкания в нагрузке. Питание производится от осветительной сети 220В, или от автономного источника с постоянным напряжением 5В, а собрано всё в компактном корпусе ЗУ мобильного телефона:
Внешний вид готового устройства
Внимание! Автор статьи не является разработчиком отдельных узлов единой конструкции, и никак не претендует на их схемотехнические решения. Данное устройство работает под высоким напряжением, опасным для жизни. Строго соблюдайте все меры безопасности. При повторении и/или ремонте Вы всё делаете на свой страх и риск. Автор не несёт никакой ответственности за Ваши действия.
Что бы не придумывать всё с нуля и облегчить задачу как проектирования, так и повторения, за основу конструкции был взят модуль зарядки литий-ионных аккумуляторов с обозначением TP4056, который собран на одноимённой микросхеме, представляющей собой линейный стабилизатор тока с внешним резистором, задающим его значение. В составе имеется разного рода защита и индикация режимов работы, а его цена на Алиэкспресс довольно низкая, которая составляла 12 центов на момент написания статьи. Там же есть и вариант с защитой самого заряжаемого аккумулятора от глубокой разрядки, но в данном случае такая опция была не нужна:
Плата модуля зарядки TP4056
Сам модуль имеет разъём микро-USB для подачи питания, которое дублируется на контактных площадках возле него. Так же на контактные площадки выведено выходное напряжение, для подачи на заряжаемый аккумулятор. Как уже говорилось, основой модуля является микросхема TP4056, кроме которой на плате установлены индикаторные светодиоды и некоторая обвязка. Типовая схема включения микросхемы довольна простая, и дополнительно учитывает подключение датчика температуры, для защиты заряжаемого аккумулятора от перегрева, но его подключение на плате модуля не предусмотрено, хотя при большом желании терморезистор можно подсоединить к первому выводу микросхемы:
Типовая схема включения микросхемы TP4056
Схема подключения модуля зарядки TP4056 и формула для расчёта сопротивления программного резистора
Кроме этого имеется так же таблица готовых значений сопротивления этого резистора под определённую силу зарядного тока. Самым оптимальным током зарядки для небольших аккумуляторов был выбран ток порядка 350 мА, которому в этой таблице соответствует значение сопротивления где то между 3 и 4 кОм. Далее заводской резистор поверхностного монтажа был выпаян, а на его место был установлен выводной резистор на сопротивление 3,3 кОм. Если считать по формуле, то зарядный ток как раз получается около 360 мА. Так же с платы были удалены штатные светодиоды, а их контакты были выведены наружу тонкими цветными проводниками в изоляции:
Доработанная плата модуля TP4056 и таблица соответствия тока зарядки от сопротивления резистора
Так же цветные проводники были припаяны и к контактным площадкам модуля, для дальнейшего подключения к месту назначения. А сама плата была установлена в нижнюю часть корпуса с сохранением штатного USB-разъёма, под который в нужном месте было сделано продолговатое отверстие. Через этот разъём можно будет производить зарядку аккумуляторов от других автономных источников с выходным напряжением 4,5 - 7,5 Вольт:
Установленная в корпус плата модуля TP4056
В качестве штатного источника питания, был применён преобразователь сетевого напряжения, уже имеющийся в используемом корпусе адаптера для телефона. Его принципиальная схема очень простая, и по желанию её можно легко повторить. Преобразователь основан на обратно-ходовом блокинг-генераторе и содержит минимум деталей. Подобное устройство уже описывалось в предыдущей статье, но хотя, по сравнению с прошлым, в схеме и имеется второй транзистор, её сборка будет ненамного сложнее одно-транзисторной конструкции:
Принципиальная схема преобразователя сетевого напряжения
На транзисторе Q1 выполнен блокинг-генератор, возбуждающийся за счёт положительной обратной связи по переменному току, посредством трансформатора Tr1, через цепочку C4, R6.
Стабилизация выходного напряжения, а точнее напряжения на обмотке связи III, происходит за счёт отрицательной обратной связи по постоянному напряжению через выпрямительный диод D6, и задающий уровень выходного напряжения стабилитрон ZD1. Конденсатор C3 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения отрицательной обратной связи, а само выходное напряжение преобразователя снимается с обмотки II трансформатора, выпрямляясь диодом D5 и сглаживаясь конденсатором фильтра C2.
Индикаторный светодиод LED1 с ограничительным резистором R7 на выходе играет роль индикатора, и некоторой начальной нагрузки, без которой напряжение на обмотках трансформатора может возрасти неограниченно, что приведёт прежде всего к пробою транзисторов и выходу их из строя.
На транзисторе Q2 собран узел отрицательной обратной связи по току, защищающий ключевой транзистор и выходные элементы от перегрузок. Как видно, стабилизация выходного напряжения не выполняется непосредственно, что является главным недостатком схемы и причиной низкой стабильности выходного напряжения, но в данном случае это не критично, так как к выходу будет подключаться модуль TP4056, имеющий в своём составе стабилизатор тока и напряжения. Полная схема всего зарядного устройства выглядит следующим образом:
Полная схема зарядного устройства с модулем TP4056
Вместо указанного преобразователя, можно использовать любой другой источник с ЭДС от 4,5В до 7,5В, обеспечивающий необходимый ток нагрузки. Ну а далее рассмотрим, как самостоятельно собрать и наладить зарядное устройство с описываемым преобразователем, как с самым простым вариантом.
Коротко о деталях
Конденсаторы C1, C2 и C3 электролитические, C1 на напряжение не ниже 400 Вольт, а C2 на удвоенное значение выходного напряжения. Все резисторы малогабаритные, с мощностью рассеивания 0,25 Вт. Выпрямительные диоды D1 - D4 высоковольтные, на ток от 1 А. Диоды D5 и D6 должны быть высокочастотными, с малым временем восстановления. От стабилитрона ZD1 (должен иметь малый ток стабилизации) зависит средний уровень выходного напряжения, который должен уметь обеспечивать трансформатор и преобразователь в целом. Силовой транзистор ключа Q1 так же высоковольтный, обратной проводимости, малой или средней мощности. В качестве второго транзистора можно использовать почти любой экземпляр из транзисторов малой мощности, с коэффициентом передачи тока базы от 50 и невысоким обратным током коллектора. В одном из таких преобразователей даже использовался советский транзистор KT315, который нормально работал в данной схеме.
Сам трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике E24/12/6 типоразмера Ш6×6, который обязательно должен иметь зазор между двумя его половинами. В данном случае зазор был составлен из одного слоя обмоточного теплостойкого скотча. Первичная обмотка содержит 300 витков провода, диаметром 0,08 мм, а обмотки II и III имеют по 8 витков. Провод обмотки II должен выдерживать выходной ток нагрузки и может иметь диаметр 0,6 - 0,8 мм. Диаметр провода обмотки обратной связи III не критичен и можно использовать провод с диаметром от 0,1 мм. Между обмотками следует намотать изоляционный материал, такой как трансформаторная бумага или теплостойкий скотч. Обязательно нужно обратить внимание на фазировку обмоток, начала которых на принципиальной схеме обозначены точками. При неправильной фазировке преобразователь не запустится, или будет работать некорректно.
Конструкция устройства
Все радиоэлементы преобразователя размещены на односторонней плате небольших размеров, к которой с одного края подводится сетевое напряжение от вилки на корпусе устройства, а с другого снимается выходное постоянное напряжение, подаваемое далее на вход платы модуля зарядки, установленной в корпусе, рядом с сетевой вилкой. К выходу модуля TP4056 подсоединены два провода различных цветов, продетые в гибкий направляющий фиксатор для вывода наружу. Посадочное место штатного светодиода преобразователя оказалось продублированным на другом конце платы, где впоследствии дополнительно был установлен второй светодиод зелёного цвета свечения. Контактные дорожки этих светодиодов были разрезаны, и к ним так же были припаяны разноцветные проводники, ведущие от контактных площадок предварительно удалённых светодиодов на плате зарядки. Для дополнительного светодиода, во второй части корпуса, в соответствующем месте было просверлено отверстие. Для окончательной сборки плата до упора вставляется в пазы внутри корпуса, головки светодиодов при этом выглядывают наружу. Держатель шнура фиксируется в предназначенной для него прорези, а половинки корпуса стягиваются винтом:
Плата преобразователя и готовое зарядное устройство
Тестирование / Зарядка аккумулятора
Прежде чем окончательно собрать зарядное устройство в корпус, было замерено выходное напряжение преобразователя, с подключённым к нему модулем зарядки (уровень напряжения на входе модуля). Значение этого напряжения составило 5,5 Вольт, которое можно считать напряжением холостого хода:
Выходное напряжение преобразователя на холостом ходу
При нормальной работе устройства, без подключённого аккумулятора, светится зелёный индикаторный светодиод, а напряжение на выходе при этом поддерживается в районе 4,1 Вольт. Во время короткого замыкания выходных проводников зелёный светодиод гаснет, и зажигается красный, а уровень выходного тока при этом не превышает значения 0,1 Ампер, что вполне безопасно как для самого устройства, так и для соединительных проводов:
Выходное напряжение устройства без подключённого аккумулятора
Ток короткого замыкания выходных проводников
Далее к изготовленному зарядному устройству был подключен разряженный до конца аккумулятор, и в начале, ток зарядки составил ровно 350 мА. При этом светится красный светодиод, а по истечении получаса, зарядный ток упал до значения 200 мА. Корпус устройства во время процесса слегка нагрелся, но по ощущению температура нагрева была невысокой, и её замеры не проводились:
Зарядка аккумулятора
Ток зарядки в начале процесса
Снижение зарядного тока
В самом конце процесса зарядки напряжение на аккумуляторе достигает значения 4,35 Вольт, а ток зарядки снижается до уровня 36 мА, после чего резко падает, и процесс зарядки прекращается. При этом красный светодиод гаснет, и зажигается зелёный, сигнализируя об окончании зарядки аккумулятора. По истечении некоторого времени ЭДС аккумулятора снижается, но зарядка не возобновляется до определённого порога, указанного в документации на микросхему модуля:
Напряжение полностью заряжённого аккумулятора
Снижение зарядного тока в конце процесса зарядки
Снижение ЭДС аккумулятора после завершения зарядки
В полевых условиях, при отсутствии осветительной сети, но при наличии автономного источника тока с соответствующим напряжением, такого как хранилище энергии (Power Bank) или ноутбук, заряжать аккумуляторы можно через разъём микро-USB, в обход преобразователя сетевого напряжения, который в таком случае не задействован, и в зарядке участвует только модуль TP4056. Заряжаемый аккумулятор подключается как обычно, а питание на устройство подаётся USB кабелем:
Питание зарядного устройства посредством USB
Самодельное зарядное устройство, собранное из простых и доступных деталей, получилось компактным и довольно надёжным. Его можно использовать на постоянной основе, для зарядки аккумулятора какого-либо одного устройства, или применить как универсальное устройство для зарядки большинства имеющихся аккумуляторов малой и средней ёмкости. Так например полная зарядка старого использованного аккумулятора с остаточной ёмкостью 800 мА*час, производится примерно за три часа, а по желанию можно установить другой ток зарядки, установив необходимый программный резистор, и использовав соответствующий преобразователь сетевого напряжения.
Тем, кому лень читать статью, для простого ознакомления с зарядным устройством можно посмотреть короткое видео.
КакиеЧто такое модуль TP4056 и чем отличается модуль с защитой от модуля без защиты
Модуль TP4056 представляет собой небольшую плату на основе контроллера TP4056, которая предназначена для заряда литиевых аккумуляторов 3.7В. Такие платы заряда литиевых аккумуляторов могут быть двух модификаций, модули TP4056 без защиты аккумулятора, и модули TP4056 с защитой аккумулятора. Иногда такие платы можно встретить с обозначением TC4056.
Модуль заряда TP4056 без защиты предназначен только для заряда литиевых аккумуляторов до номинального напряжения 4.2В. На плате заряда без защиты из микросхем имеется только контроллер TP4056. Для подключения питающего напряжения на самых первых платах устанавливался разъем Mini-USB, на последних версиях устанавливается популярный разъем Micro-USB.
Модуль заряда TP4056 с защитой может не только заряжать литиевый аккумулятор до номинального напряжения 4.2В, но и защищает его от чрезмерного переразряда, от короткого замыкания, и ограничивает максимальный ток разряда. Дополнительно на плате заряда с защитой кроме контроллера TP4056 еще установлена микросхема DW01 и мосфет S-8205A для управления нагрузкой. Микросхема DW01 не дает аккумулятору разрядиться ниже 2.5В, отключает нагрузки с помощью мосфета при КЗ и при увеличении тока разряда более 3А. Платы заряда с защитой можно встретить с разъемом Micro-USB и Type-C для подключения питающего напряжения.
Характеристики модулей TP4056 с защитой аккумулятора и без защиты
Модули TP4056 с защитой и без отличаются только функцией защиты аккумуляторов, а характеристики, касающиеся заряда литиевых аккумуляторов у них идентичные. Естественно, габариты у них тоже отличаются.
Характеристики модуля TP4056 без защиты:
Рекомендуемое входное напряжение: 5 В
Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В
Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА
Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%)
Размер платы: 23 мм x 17 мм
Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен
Характеристики модуля TP4056 с защитой:
Рекомендуемое входное напряжение: 5 В
Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В
Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА
Напряжение отключения аккумулятора при разряде: 2.5 В
Максимально допустимый ток разряда: 3 А
Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%)
Размер платы: 27 мм x 17 мм
Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен
Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой и без
Типовая принципиальная схема модуля TP4056, которую можно найти в datasheet, предусматривает подключение датчика температуры, для измерения температуры аккумулятора.
Продаваемые на АлиЭкспресс модули TP4056 не предусматривают возможности подключения датчиков температуры, но при желании можно все-же подпаяться в нужные места на плате. Вот принципиальная схема модулей TP4056 с AliExpress.
Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой дополняется еще схемой защиты.
Подключение модуля заряда TP4056 с защитой и без защиты
Подключение модулей TP4056 с защитой и без защиты к источнику питания и к аккумулятору, а также в последствии к потребителю, немного отличается. Плата заряда без защиты имеет четыре вывода, два для входного напряжения и два для подключения аккумулятора, а также разъем для подключения питания. Питание подается на IN+ и на IN-, а аккумулятор подключается к выводам BAT+ и BAT-.
У модуля TP4056 с защитой выводов больше, так как здесь аккумулятор и нагрузка подключаются на разные выводы. Питание подается на IN+ и на IN-, аккумулятор необходимо подключать к B+ и B-, а нагрузка подключается к выводам OUT+ и OUT-. При этом выводы B+ и OUT+ совмещенные.
Принцип работы модуля TP4056 с защитой и без
Литиевые аккумуляторы очень требовательны к методам их заряда. Их нельзя заряжать выше 4.2 В и не желательно заряжать большим тока, чем меньше ток заряда, до разумных пределов, тем дольше проживут аккумуляторы. Контроллер TP4056 как раз обеспечивает правильный заряд литиевых аккумуляторов методом CC/CV. CC означает заряд постоянным током, а CV означает заряд постоянным напряжением.
Модули TP4056 с защитой и без защиты производят заряд литиевых аккумуляторов методом CC/CV, обеспечивая постоянный заданный ток заряда в начале заряда, и постоянное напряжение заряда 4.2В в конце заряда. Дополнительно в контроллере реализован метод TC, при котором сильно разряженный аккумулятор заряжается током 1/10 от номинального до достижения аккумулятором напряжения 2.9 В.
По умолчанию на всех модулях заряда TP4056 настроен максимальный ток заряда 1 А. Если напряжение на аккумуляторе более 2.9 В, то заряд аккумулятора сразу равен 1 А, и держится на таком уровне практически до полного заряда. В этот момент на плате горит красный светодиод. Когда напряжение на аккумуляторе приближается к номинальному, ток заряда начинает уменьшаться, при этом поддерживается постоянное напряжение на выходе зарядного устройства 4.2 В. Кривые заряда литиевых аккумуляторов тока и напряжения по методу CC/CV можно посмотреть на графике ниже.
Когда ток заряда снижается до 100 мА, контроллер TP4056 прекращает процесс заряда. В этот момент гаснет красный светодиод и загорается синий.
Модуль TP4056 с защитой контролирует также и разряд литиевого аккумулятора. Аккумулятор защищается от короткого замыкания, при этом, если замкнуть выводные контакты платы, нагрузка будет просто отключаться от аккумулятора, пока не исчезнет КЗ. Во время разряда аккумулятора контролируется ток разряда и напряжение. Ток разряда ограничивается на уровне 3 А, если протекающий ток становится больше, нагрузка отключается от аккумулятора. При понижении напряжения на клеммах аккумулятора ниже 2.5 В нагрузка также отключается от аккумулятора, защищая его от переразряда.
Как изменить ток заряда на плате TP4056
По умолчанию все платы TP4056 заряжают литиевые аккумуляторы током 1 А, т.е. максимально допустимым током для контроллера TP4056. Уровень тока задается резистором, и при желании его можно заменить, изменив таким образом ток заряда литиевого аккумулятора. Резистор по умолчанию имеет сопротивление 1.2 кОм.
Для задания на плате TP4056 необходимого тока заряда можно воспользоваться таблицей, в которой указаны сопротивления резисторов, и соответствующий им ток заряда, при их установке на плате.
| Резистор (кОм) | Ток заряда (мА) |
| 30 | 50 |
| 20 | 70 |
| 10 | 130 |
| 5 | 250 |
| 4 | 300 |
| 3 | 400 |
| 2 | 580 |
| 1.66 | 690 |
| 1.5 | 780 |
| 1.33 | 900 |
| 1.2 | 1000 |
Параллельное и последовательное подключение TP4056
Платы TP4056 удобно встраивать для заряда литиевых аккумуляторов в различные самодельные устройства. Но такие устройства не всегда ограничивается только одним аккумулятором на 3.7 В, иногда требуется подключать целые аккумуляторные сборки на более высокое напряжение. При этом для заряда хочется использовать дешевые платы TP4056. Если посмотреть характеристики такой зарядной платы с защитой, то там четко написано, что она предназначена для заряда аккумулятора 3.7 В, т.е. представляет собой плату BMS 1S.
Параллельное соединение плат TP4056
Такие платы можно соединять параллельно и это приведет к увеличению тока заряда, а в случае соединения плат с защитой и к увеличению контролируемого тока разряда. При параллельном соединении TP4056 без защиты нужно соединять вместе одинаковые выводы плат. Такое соединение приведет к увеличению тока заряда кратно количеству соединенных плат, т.е. соединив таким способом две платы, мы получим ток заряда 2 А.
Платы с защитой подключаются практически также. Отличие заключается в том, что у них имеются контакты для подключения аккумуляторов и для подключения нагрузки. При параллельном соединении модулей TP4056 с защитой соединяются вводные контакты, контакты для подключения нагрузки, и контакты для подключения аккумуляторов. Такое соединение приводит не только к увеличению тока заряда, но и к увеличению тока разряда, кратно количеству установленных плат.
Последовательное соединение плат TP4056
При сборке литиевых аккумуляторных батарей на 8.4 В, 12.6 В и большее напряжение многие надеются использовать модули TP4056 с защитой для их контроля и зарядки напряжением 5 В. При последовательном соединении таких плат с защитой, действительно можно получить напряжение больше, чем на одном аккумуляторе, и при этом каждый аккумулятор будет защищен. Разъемы плат для входного напряжения при таком способе надеются соединять, как при параллельном соединении, т.е. объединять вместе все плюсовые вводы и соединять между собой все минусовые вводы. Но как только они будут соединены, модули будут работать неадекватно. Нормальная их работа возможна при условии, что платы не будут связаны между собой, кроме как выводными контактами при последовательном соединении.
Получается, что при последовательном соединении модулей TP4056 для их нормальной работы каждому таком модулю требуется отдельный источник питания для заряда конкретного аккумулятора, т.е. блоки питания должны быть с гальванической развязкой.
Для того, чтобы подключить все последовательно соединенные платы TP4056 к одному источнику питания и заряжать аккумуляторы, необходимо внедрить некоторые изменения в схему подключения. Нужно установить переключатель, который в момент переключения будет менять схему подключения с последовательной на параллельную. Только такой способ позволит заряжать все аккумуляторы в сборке от одного источника питания. Так для трех аккумуляторов, подключенных к последовательно соединенным платам TP4056 с защитой, потребуется тумблер с шестью выводами, т.е. с двумя перекидными контактами. Также это можно реализовать с помощью реле, которое автоматически будет переключать в режим заряда при подаче питающего напряжения.
В начальном положении при последовательном соединении трех аккумуляторов на выходе сборки будет 12.6 В при полностью заряженных аккумуляторах. После переключения тумблера связь между выводами плат разрывается, а вводные контакты плат соединяются последовательно. Теперь можно будет заряжать все аккумуляторы от одного источника 5 В. Каждый аккумулятор будет заряжаться независимо от других.
Заряд нескольких аккумуляторов платой TP4056
Заряд нескольких параллельно соединенных аккумуляторов модулем TP4056
Для различных самоделок, в которые устанавливается литиевый аккумулятор, устанавливается также модуль заряда TP4056. Как правило это один модуль для одного аккумулятора 18650. Но к такой плате заряда можно подключать неограниченное количество параллельно соединенных аккумуляторов. Неудобство будет лишь в том, что одна плата заряда может заряжать током 1 А, и большое количество аккумуляторов будет заряжаться очень долго. Таким образом можно подключать несколько параллельно соединенных аккумуляторов к плате TP4056 с защитой, и к плате TP4056 без защиты.
Заряд нескольких последовательно соединенных аккумуляторов модулем TP4056
Если с параллельным соединением аккумуляторов все понятно, то с последовательным, одни вопросы. Плата TP4056 заряжает аккумулятор до напряжения 4.2 В, а при подключении большего количества последовательно соединенных аккумуляторов напряжение будет уже значительно больше. Естественно, заряжаться они уже не будут и на плате будет всегда светиться синий светодиод, как будто аккумуляторы уже заряжены.
Чтобы заряжать последовательно соединенные литиевые аккумуляторы одной платой TP4056, их необходимо подключать параллельно. Это можно реализовать с помощью тумблера с перекидными контактами и с большим количеством выводов. Например, для трех аккумуляторов потребуется тумблер на 12 выводов, или два тумблера по 6 выводов.
Недостатком данного способа будет незащищенность аккумуляторов, они напрямую будут подключаться к нагрузке и следить за уровнем напряжения придется самостоятельно. В момент переключения тумблера все аккумуляторы соединяются параллельно. Получается, что во время заряда им не требуется балансировка.
Платы заряда литиевых аккумуляторов TP4056, которые можно купить на AliExpress
Заказал на Ali лот из пяти модулей зарядных устройств на чипе TP4056 для Li-ion аккумуляторов (цена лота 68,70 руб, за модуль 13,74 руб, сентябрь 2015). Пришли на одной печатной плате, разделенные скрайбированием (надрезанием). На печатке логотип kvsun — китайский производитель широкого спектра зарядок Li-ion аккумуляторов различных типоразмеров и применений.
Статья в основном является компиляцией разрозненных данных интернета, с целью собрать все в одном месте.
Модуль основан на чипе TP4056 — контроллере зарядки Li-ion аккумуляторов со встроенным термодатчиком от NanJing Top Power ASIC Corp, это завершенное изделие с линейным зарядом по принципу постоянное напряжение/постоянный ток для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов. Чип от компании из Нанкина, провинция Цзянсу, Китай. Специализация — системы питания игрушек, телефонов, LCD, LCM. Основана в 2003 году.
Контроллер выполнен в корпусе SOP-8, имеет на нижней поверхности металлический теплосьемник не соединенный с контактами, позволяет заряжать аккумулятор током до 1000 мA (зависит от токозадающего резистора). Требует минимум навесных компонентов.
По сути это более навороченная модификация их же чипа TP4054, у которого в свою очередь куча аналогов (MCP73831, LTC4054, TB4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051). Кто тут кому аналог, судить не берусь.
Расположение выводов:
- TEMP — подключение датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею. Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостановится. Контроль температуры отключается замыканием входа на общий провод.
- PROG — Программирование тока зарядки (1.2к — 10к);
Постоянный ток зарядки и контроль напряжения зарядки выбираются сопротивлением резистора, между этим пином и GND;
Для всех режимов зарядки, зарядный ток может быть выведен из формулы: - GND — Общий;
- Vcc — Напряжение питания, если ток потребления (ток зарядки батареи) становится ниже 30mA, контроллер уходит в спячку, потребляя от контакта BAT
- При подключенной батарее, в течении зарядки — разомкнут, по окончании — замкнут;
- При неподключенной батарее замкнут;
- При подключенной батарее, в течении зарядки — замкнут, по окончании — разомкнут;
- При неподключенной батарее, кратковременно включается с периодом 1-4 сек;
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (постоянно);
- Зарядка током 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) до уровня 2.9 В (если требуется);
- Зарядка максимальным током (1000мА при Rprog = 1.2к);
- При достижении на батарее 4.2 В идет стабилизация напряжения на уровне 4.2В. Ток падает по мере зарядки;
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) зарядное устройство отключается. Переход к п. 1
Контроллер имеет хороший профиль CC/CV и может быть адаптирован ко многим различным конфигурациям зарядки и типам Li-ion аккумуляторов. Номинальный зарядный ток может быть изменен подбором единственного резистора.
Модуль представляет из себя небольшую платку (19 х 27 мм, рядом элемент ААА) с собранной схемой зарядного устройства.
Схема практически идентична схеме из даташита, за исключением подключения термодатчика аккумулятора. На полученных модулях цвет светодиодов окончания зарядки другой, вместо зеленого — синий.
Можно (если понадобилось) вывести вход термодатчика отдельным проводком, напаявшись на лапку и отрезав ее от GND. Или же подняв лапку над платой и напаявшись. Если же хочется без паяния, надо просто заказать там же другой модуль:
Отличие только в компоновке и габаритах (37x15мм).
- Напряжение питания +4,5. +8,0 вольт (более 5,5 В не рекомендуется, чип перегревается);
- Разьем Mini-USB на плате, для питания от USB-порта компьютера или универсального блока питания;
- Ток заряда 1,0 Ампер (1000 мА), легко программируется изменением значения резистора Rprog (от 1,2k до 10k (по даташиту, на самом деле до
Заявленная емкость 3400mAh:
Очень хороший график CC/CV, немного затянуто падение СС, это увеличивает время зарядки, но аккумулятору от этого хуже не будет. Ток зарядки не достиг заявленных 1000мА. Возможно его ограничила температура самого контроллера. Контроллер сначала сильно разогревшись к концу зарядки остывает.
Снижение напряжения питания до 4.5 В, увеличивает время зарядки и уменьшает температуру, но итоговое напряжение немного ниже.
Увеличение напряжения питания действительно увеличивает температуру, но также и уменьшает ток. Когда чип перегревается, он уменьшает ток.
То же, но использован небольшой алюминиевый радиатор на контроллере. И это действительно помогает, температура ниже, чем при питании от 5,0 В.
Старый 16340 IMR аккумулятор от видеокамеры также был заряжен успешно.
После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора. Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 mkA. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова.
При отключении и подключении аккумулятора, зарядка включится только если напряжение аккумулятора ниже 4.0В.
Внимание. Контроллер имеет одну особенность, не описанную в даташите.
Он не содержит схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выходит из строя из-за превышения максимального тока и теплового пробоя. Но это только полбеды, контроллер пробивается накоротко, и на его выходе (батарее) появляется полное (!) входное напряжение.
Это особенно актуально для заряда пальчиковых аккумуляторов типа 18650. При установке очень легко ошибиться с полярностью.
Можно купить и модули с защитой:
Кроме контроллера зарядки ТP4056 в него добавлены два чипа: DW01 (схема защиты) + ML8205A (сдвоенный ключ MOSFET).
- Встроенная защита окончания зарядки: 4,2 вольт (ТP4056 и так это делает);
- Встроенная защита от короткого замыкания по выходу (ограничение на 3А);
- Встроенная защита от глубокого разряда аккумулятора (+2,4 вольт);
- Разьем Micro-USB на плате, в предыдущем Mini-USB;
Чего хотелось достичь?
Ранее я заказал и описАл простую платку с DS1307Z и AT24C32 на борту.
Для резервного питания часов там заложен Li-ion аккумулятор LIR2032. Его подзарядка осуществляется постоянно, через резистор (1,8мкА), от питающего напряжения. Хотя упоминаний об этом в инете нет, меня убедили, что такая схема зарядки быстро убивает аккумулятор.
Данная зарядка бралась на замену резистору. Такая замена естественно дороже. Хотя если учесть цену данной платы (13,74 руб), плюсов будет больше.
Тестовая работа по подключению маломощного аккумулятора LIR2032 к зарядке на TP4056 была проведена здесь:
Автор изменил сопротивление токозадающего резистора с 1,2к на 33к, зарядный ток уменьшился до 45мА. По словам автора, зарядка разряженного аккумулятора занимает около часа.
Как это будет выглядеть в теории? Даташит на Li-MnO2 аккумулятор LIR2032 рекомендует зарядку номинальным током 20мА и напряжением 4,2В. После падения тока до 4мА батарею можно считать полностью заряженной. Максимальный ток зарядки 35-45мА, в зависимости от производителя. Минимальное напряжение разряда аккумулятора до начала деградации ячейки 2,75В. Для аккумулятора гарантируется 500 циклов заряда/разряда с сохранением после них не менее 80% емкости.
В свою очередь контроллер Tp4056 не сможет обеспечить ток зарядки ниже 30мА, просто уйдет в сон. И ждать пока напряжение на аккумуляторе упадет до 2,75В тоже не будет, включит зарядку уже при падении до 4,0В. Таким образом он будет постоянно поддерживать аккумулятор на
85-95% заряженным. Наверное это не оптимально для ячейки, но все же лучше, чем через резистор.
Модуль основан на чипе TP4056 — контроллере зарядки Li-Ion и Li-Po аккумуляторов на 3.7В со встроенным термодатчиком, это завершенное изделие с линейным зарядом по принципу постоянное напряжение/постоянный ток для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов.
Контроллер выполнен в корпусе SOP-8, имет на нижней поверхности металлический теплосьемник не соединенный с контактами, позволяет заряжать аккумулятор током до 1000 мА (зависит от токозадающего резистора). Требует минимум навесных компонентов. По сути TP4056 более навороченная модификация чипа TP4054.
TP4056 автоматически завершает цикл зарядки при достижении напряжения на нем 4.2В и снижении тока заряда до 1/10 от запрограммированной величины. Модуль имеет индикацию процесса заряда. В момент заряда светится красный светодиод, а когда батарея будет полностью заряжена засветится зеленый светодиод, красный при этом погаснет.
Кроме контроллера зарядки ТP4056 на плате добавлены два чипа DW01 (схема защиты) и ML8205A (сдвоенный ключ MOSFET), служат для зашиты аккумулятора от переразряда, перезаряда, перегрузки и короткого замыкания.
Модуль TP4056 идеально подходит для портативных устройств. Если в Ардуино проекте требуется полноценная зарядка Li-ion аккумуляторных батарей с возможностью подсоединения нагрузки и с защитой от сгорания, то эта плата заряда полностью справится с этой задачей.
- 1 Технические характеристики TP4056
- 2 Описание выводов модуля
- 3 Принципиальная схема модуля на TP4056
- 4 Схема подключения TP4056
- 5 Процесс зарядки
- 6 Настройка тока зарядки
- 7 Материалы
- 8 Купить TP4056 на AliExpress
- 9 Похожие записи
Технические характеристики TP4056
Схема контроллера аккумулятора мобильного телефона
Итак, из чего состоит этот контроллер? Возьмем к примеру аккумулятор из телефона NOKIA BL-6Q.
Вот как выглядит плата контроллера заряда мобильного телефона:
А такой вид у принципиальной электрической схемы:
Фотография и электрическая схема внутреннего контроллера заряда батареи NOKIA Давайте разберемся как это работает. Аккумулятор подключается к двум контактным площадкам, расположенным по бокам контроллера (B- и B+). На печатной плате расположены две микросхемы — TPCS8210 и HY2110CB.
Задачей контроллера является поддержание напряжения на аккумуляторной батарее в пределах 4,3 — 2,4 вольт для ее защиты от перезаряда и переразряда. В режиме нормального разряда (или заряда) микросхема HY2110CB выдает на выводы OD и OS напряжение высокого уровня, которое немного меньше напряжения на батарее.
Это напряжение держит постоянно открытыми полевые транзисторы микросхемы TPCS8210, через которые батарея подсоединяется к нагрузке (Вашему устройству).
При разряде аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе станет меньше 2,4 вольта, сработает детектор минимального напряжения аккумулятора микросхемы HY2110CB и на выход OD перестанет поступать напряжение. Верхний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и таким образом батарея отключится от нагрузки.
При зарядке аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4,3 вольта, сработает детектор перезаряда микросхемы HY2110CB и на выход OС перестанет выдаваться напряжение. Нижний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и батарея также отключится от нагрузки.
Альтернативный способ замены: Замена батареи NOKIA на батарею другой модели. Как видно из схемы ни у одной из микросхем нет никакого вывода для передачи информации о состоянии батареи в Ваше устройство. Выход контроллера «К» просто подсоединен через резистор определенного номинала к отрицательному выводу батареи. Следовательно никакой «секретной» информации от контроллера батареи не поступает. В некоторых моделях контроллеров вместо постоянного резистора устанавливают терморезистор для контроля температуры батареи.
По номиналу этого резистора Ваше устройство может определить тип аккумулятора, или выключиться при несоответствии этого номинала нужным значениям.
Значит для замены такого аккумулятора на аккумулятор другого производителя не обязательно менять контроллер заряда, достаточно просто замерить резистор, стоящий между выводами «-» и «К» и подключить вывод «К» устройства к минусу батареи через внешний резистор того же номинала.
Альтернативный способ замены батареи электронной книги на батарею другой модели Рассмотрим, на примере электронной книги LBOOK V5, как наиболее точно сделать аналог батареи с использованием знаний об устройстве контроллера заряда. Все работы проводим в следующей последовательности:
- Находим аккумулятор от сотового телефона, ближайший к родному по габаритам и емкости. В нашем случае это NOKIA BL-4U. (Справа на рисунке)
- Откусываем провод от родного аккумулятора с таким расчетом, чтобы оставшейся части на разъеме хватило для припайки нового аккумулятора, а оставшейся части на старой батарее хватило для зачистки проводников и измерения тестером.
- Берем любой цифровой тестер и устанавливаем на нем режим измерения сопротивления, предел измерения — 200 Ком. Подключаем его к отрицательному выводу и выводу контроллера родной батареи. Измеряем сопротивление.
- Отключаем прибор. Ищем ближайший по номиналу резистор. В нашем случае — это 62 Ком.
- Припаиваем резистор между отрицательным выводом новой батареи и проводом выхода контроллера на разъеме. (Желтый провод на рисунке).
- Припаиваем выводы разъема «+» и «-» соответственно к плюсовому и минусовому выводу новой батареи. (Красный и черный провода на рисунке).
Нравится схема? Поделитесь с другом.
Описание выводов модуля
| Вывод | Описание |
| IN+ | Vcc / Питание |
| IN- | GND / Общий |
| OUT+ | Нагрузка «+» |
| OUT- | Нагрузка «-« |
| BAT+ | К «+» аккумулятора |
| BAT- | К «-» аккумулятора |
Принципиальная схема модуля на TP4056
Схема (без защиты) практически идентична схеме из даташита, за исключением подключения термодатчика аккумулятора. Если понадобилось, можно вывести вход датчика температуры отдельным проводком, напаявшись на лапку и отрезав ее от GND. Или же подняв лапку над платой и напаявшись.
Схема защиты на базе DW01A (из спецификации) выглядит следующим образом:
Ниже приведено типовое включение TP4056, защиты на базе DW01A и мосфетов S-8205A.
Схема подключения TP4056
Подключение к зарядке через стандартный разъём microUSB (или miniUSB) или через дублирующие контакты «+» и «—«. Аккумулятор (без встроенной защиты разряда) подключается к контактам «B+» и «B-«. Нагрузка подключается к контактам «OUT+» и «OUT-» (при зарядке батареи нагрузку желательно отключать, если она не рассчитана на напряжение 4.2 В).
Если перепутать полярность питания то микросхема очень сильно греется и умирает, если перепутать полярность аккумулятора то опять TP4056 греется и через некоторое время умирает. Подавать на вход больше 8 вольт тоже не стоит. Оптимальное напряжение питания 5 В, хотя можно подавать примерно от 4.5 до 8 В. Чем больше напряжения питания, тем больше будет греться TP4056 поскольку напряжение преобразовывается линейно.
Что представляет собой контроллер зарядки Li─Ion аккумуляторов?
Простейший вариант контроллера зарядки литий─ионных АКБ можно увидеть, если разобрать аккумулятор планшетного компьютера или телефона. Он состоит из банки (аккумуляторного элемента) и печатной платы защиты BMS. Это и есть контроллер зарядки, который можно видеть на фото ниже.
Контроллер зарядки Li─Ion аккумулятора
Основой здесь является микросхема контроллера защиты. Полевые транзисторы используются для раздельного управления защитой при зарядке и разрядке аккумуляторного элемента.
Назначение контроллера защиты в том, что он следит за тем, чтобы банка не заряжалась выше напряжения 4,2 вольта. Литиевый аккумуляторный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 вольта. Перезаряд и превышение напряжения выше 4,2 вольта могут привести к тому, что элемент выйдет из строя.
В аккумуляторах смартфонов и планшетов плата BMS следит за процессом заряда и разряда одного элемента (банки). В аккумуляторах ноутбуков таких банок несколько. Обычно от 4 до 8.
Контроллер зарядки и литий─ионные элементы аккумулятора ноутбука
Также контроллер следит за процессом разрядки аккумуляторного элемента. При падении напряжения ниже порогового (обычно 3 вольта) схема отключает банку от потребителя тока. В результате устройство, работающее от аккумулятора, просто выключается. Среди прочих функций контроллера зарядки стоит отметить защиту от короткого замыкания. На некоторых платах защиты BMS устанавливается терморезистор для защиты аккумуляторного элемента от перегрева.
Процесс зарядки
Процесс зарядки состоит из нескольких этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (постоянно);
- Зарядка током 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) до уровня 2.9 В (если требуется);
- Зарядка максимальным током (1000мА при Rprog = 1.2к);
- При достижении на батарее 4.2 В идет стабилизация напряжения на уровне 4.2В. Ток падает по мере зарядки;
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) зарядное устройство отключается. Переход к п. 1.
Красный светодиод сигнализирует о зарядке, зеленый (в некоторых версиях плат синий) сообщает, что зарядка закончена.
Алгоритм процесса заряда аккумулятора
Для того чтобы понять, как происходит заряд батареи, рассмотрим схему, в состав которой входят только резистор и сам аккумулятор.
Как проконтролировать заряд АКБ с помощью резистора
Исходя из этих данных, рассчитываем R — начальное сопротивление на резисторе и Pr — мощность рассеивания:
R= Ur/I = 2.2/1 = 2.2 Ом, где I – это максимальный ток блока питания.
Pr=I2R =1х1х2.2 = 2.2 Вт.
Когда напряжение в аккумуляторе дойдет до 4,2 В, Iзар – ток заряда, составит:
Iзар=(Uи -4.2)/R=(5-4.2)/2.2 = 0.3 А.
Получается, что для зарядки нам понадобится резистор, который работает при данных показателях. Но в этой схеме все время придется проверять напряжение на аккумуляторе, чтобы не пропустить момент, когда оно достигнет максимального значения в 4,2 В.
Важно! Теоретически зарядить аккумулятор без отдельной схемы защиты возможно, но проследить при этом за напряжением и зарядным током не получится. Да, 1-2 раза такой вариант может быть использован, но гарантировать, что батарея при этом не выйдет из строя, нельзя.
Настройка тока зарядки
Контроллер имеет хороший профиль CC/CV и может быть адаптирован ко многим различным конфигурациям зарядки и типам Li-ion аккумуляторов. Номинальный зарядный ток может быть изменен подбором резистора Rprog (по умолчанию: 1А).
| Резистор (кОм) | Ток заряда (мА) |
| 30 | 50 |
| 20 | 70 |
| 10 | 130 |
| 5 | 250 |
| 4 | 300 |
| 3 | 400 |
| 2 | 580 |
| 1.66 | 690 |
| 1.5 | 780 |
| 1.33 | 900 |
| 1.2 | 1000 |
Старение и деградация литиевых АКБ
В результате циклического заряда-разряда литиевые аккумуляторы постепенно «стареют» – ионы лития не всегда возвращаются в свое исходное положение, состояние катода меняется, в системе накапливаются продукты окисления. В итоге аккумуляторная батарея медленно и безвозвратно утрачивает часть своей емкости.
Считается, что при потере 30% исходной емкости жизненный цикл батареи завершается. При потере емкости на 50% батарея подлежит утилизации. Рабочий ресурс батареи определяется как количество полных циклов заряда-разряда до тех пор, когда емкость АКБ снизится на 20%. В среднем ресурс Li-ion аккумуляторов составляет 1000 циклов, у моделей вида LiFePO4 – более 2000, а у литий-титанатных – более 20 000.
Читайте также: