Расширение возможностей зарядного устройства на базе модуля TP4056

Автор: Tenkesh
Опубликовано 24.12.2019
Создано при помощи КотоРед.

Привет всем!
Область применения популярного модуля TP4056 (далее – модуль) можно расширить, если использовать его в составе предлагаемого зарядного устройства (далее – ЗУ).
Изначально этот модуль предназначен для зарядки только одного Li-ion-аккумулятора, однако его полезные свойства при некотором техническом дополнении могут быть использованы для зарядки 2-х и более аккумуляторов, соединённых последовательно, а также для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов напряжение 6В и 12В. Просто так соединить 2 модуля TP4056 последовательно для зарядки 2-х Li-ion-аккумуляторов невозможно. Поэтому я предлагаю вашему вниманию нужное техническое решение. В нём основные параметры зарядного процесса определяются модулем, то есть достаточно точно. Используются недорогие элементы общего применения.
Зарядное устройство предназначено для зарядки сборок 2S, 3S, 4S Li-ion, Li-pol или гелевых свинцово-кислотных аккумуляторных AGM-батарей (далее – АБ).
Настройка ЗУ на конкретный тип АБ осуществляется изменением номинала 1 (всего одного) резистора R5 на плате ЗУ в соответствии с табл. 2.
Величина тока заряда программируется 1 резистором на плате модуля ТP4056, в зависимости от номинальной ёмкости применяемых аккумуляторов в соответствии с таблицей, приведенной в его даташит. Как правило, AGM-аккумуляторы заряжают током не более 0,1 от числового значения его ёмкости, Li-ion-аккумуляторы – 0,2-0,5 от числового значения его ёмкости.
UTrickle – это напряжение (2,9В) первичного включения тока модулем ТP4056 относительно его общего провода In-, Bat-.
UFull (другое название UPreset) – это напряжение (4,2В) выключения тока модулем ТP4056 относительно его общего провода In-, Bat-. Последующее включение тока происходит при напряжении около 4,0В.
NUTrickle – это напряжение относительно общего провода ЗУ на N последовательно соединённых Li-ion-аккумуляторах.
NUFull – это напряжение относительно общего провода ЗУ на N последовательно соединённых аккумуляторах.
Модуль ТP4056, установленный ЗУ, управляет параметрами зарядного процесса и отслеживает пороги UTrickle и UFull. По мере увеличения напряжения на АБ и, соответственно, на модуле ТP4056, модуль сначала формирует малый ток заряда. После достижения заданного порога NUTrickle, модуль заряжает АБ заданным током. После достижения порога NUFull модуль переходит в режим заряда постоянным напряжением. Ток заряда с этого момента постепенно уменьшается без участия модуля ТP4056. Когда значение тока уменьшается до 1/10 заданного, модуль отключает заряд. Можно отключать ЗУ.
Если не отключить, через некоторое время напряжение на АБ, и соответственно, на модуле по естественным причинам снизится ниже 4,0В, модуль снова включает заряд. Процесс повторяется и сопровождается чёткой индикацией состояния заряда и отключения заряда.

Таблица 1. Пороговые напряжения на модуле ТP4056 в составе ЗУ относительно общего провода ЗУ для Li-ion и Li-pol аккумуляторов. N = 2, 3 или 4.

Таблица 2. Конечное напряжение заряда, напряжение на выходе регулятора, номинал резистора R5 (R4 = 30кОм) и минимальное рекомендуемое напряжение питания ЗУ.

Максимальное рекомендуемое напряжение питания ЗУ – должно быть не более чем на 1В-2В выше минимального при большом заданном токе заряда (1А). Соображения относительно напряжения питания ЗУ продиктованы не какими-то особыми требованиями питания ЗУ, а общими соображениями относительно минимизации рассеиваемой мощности на регуляторе напряжения.
Данная схема полностью (кроме очень малого тока через делитель R4/R5) отключает ток заряда при достижении заданного напряжения на АБ и сопровождает процесс чёткой индикацией. В простых ЗУ индикация процесса окончания заряда либо отсутствует, либо пригасает при окончании заряда, что приводит к ложному выводу о том, что заряд окончен, хотя на самом деле нет, либо что заряд ещё не окончен, хотя на самом деле да.
Данная схема позволяет использовать низковольтный (не более 5,5В питания при больших токах заряда) модуль ТP4056 в условиях более высокого напряжения при заряде последовательно соединённых аккумуляторов.
Теория. Напряжение на резисторе R4 при подключенной АБ фактически имитирует напряжение на одной верхней (реальной или воображаемой) ячейке АБ. Резисторы в делителе напряжения выбираются такими, чтобы напряжение на резисторе R4 достигло 4,2 В при достижении конечного напряжения заряда АБ.
Пример 1. Пусть R4 = 30кОм. Для конечного напряжения AGM АБ, равном 7,2В резистор R5 должен быть равен (7,2-4,2)x30кОм/4,2 = 21,4кОм. Можно взять 22кОм из 5% ряда.
Пример 2. Пусть R4 = 30кОм. Для конечного напряжения Li-ion АБ, равном 8,4В резистор R5 должен быть равен (8,4-4,2)x30кОм/4,2 = 60кОм. Можно взять 62кОм из 5% ряда.

Рисунок 1. Способ включения модуля ТP4056 для управления зарядом АБ из последовательно соединённых аккумуляторов. Элементы защиты модуля не показаны.

Рисунок 2. Схема ЗУ для разных типов аккумуляторов.
Если резистор R5 сделать равным 0, можно заряжать также 1 (одну) Li-ion или Li-pol аккумуляторную ячейку.
Прочие элементы схемы не нуждаются в изменении номиналов при изменении вида АБ.
Диоды D1 и D2 выполняют защитную функцию в моменты включения, в случае короткого замыкания выхода ЗУ (кратковременно) и при выключении питания ЗУ при подключённой АБ. Не следует менять эти Шоттки-диоды (с низким прямым падением напряжения) на обычные выпрямительные потому, что защитную функцию можно потерять. Диод D2 не позволяет опуститься напряжению на выводе Bat+ ниже, чем на Bat- (ниже минус 0,3В…0,4В).
Кроме того, этот диод снижает напряжение регулятора при коротком замыкании выхода ЗУ. Конечно, регулятор (LM317) при этом попадёт в перегрузку и далее должна сработать его внутренняя защита по перегреву.
Низкий потенциал цепи питания модуля достаточно точно поддерживает операционный усилитель ЗУ. Ток, втекающий в операционный усилитель-повторитель, состоит из тока делителя R1/R2 + ток светодиода + ток ТP4056 и не превышает 9мА…10мА.
Независимо от напряжения на АБ напряжение питания модуля ТP4056 поддерживается постоянным на уровне около 5,0В (5,5В минус 0,5В падения на диоде). Высокая точность напряжения на входе модуля не требуется, в модуле имеется внутренняя стабилизация как входного, так и выходного напряжения UFull. Однако требуется хорошая точность задания нижнего потенциала питания модуля в зависимости от применяемого вида АБ, что и обеспечивает схема ЗУ.
Это вызвано тем, что относительно именно этого потенциала модуль точно следит за процессом заряда.
Резистор R3 через делитель R4/ R5 поддерживает выходное напряжение ЗУ на холостом ходу равным или немного выше конечного напряжения АБ, не влияя на точность заряда при подключённой АБ. Ток через R3 переводит модуль в состояние окончания заряда с индикацией «полный». Без этого резистора модуль непрерывно переключается из состояния «заряд» в состояние «полный», что вполне допустимо и объяснимо, однако это не лучший вариант индикации. При подключённой АБ этот резистор не оказывает влияния на делитель напряжения, поскольку его сопротивление велико по сравнению с малым внутренним сопротивлением АБ. Однако если АБ имеет в своём составе аккумулятор, который потерял свою ёмкость (некоторая его проводимость, как правило, остаётся), это приводит к частым попыткам модуля включить заряд. В результате светятся оба индикатора - «заряд» и «полный», что служит индикацией непригодности аккумулятора.
Дополнительный модуль может быть изготовлен в тех же размерах, что и модуль ТP4056 (22мм*17мм) с теми же 4 отверстиями (пинами) по углам плюс 2 входных пина для подачи питания и плюс 2 выходных пина для подключения АБ. Дополнительный модуль соединяется 4 проводящими штырьками с модулем ТP4056 через пины один над другим как этажерка.

Рисунок 3. Размеры дополнительного модуля.

Рисунок 4. Сборочный чертёж верхнего слоя платы дополнительного модуля.

Рисунок 5. Рисунок верхнего слоя печатной платы дополнительного модуля.

Рисунок 6. Сборочный чертёж нижнего слоя печатной платы дополнительного модуля.

Рисунок 7. Рисунок нижнего слоя печатной платы дополнительного модуля.

Печатную плату при необходимости можно немного удлинить с одной или с двух сторон для добавления в ней 2-х отверстий для крепления этого доп. модуля (вместе с модулем TP4056) в корпусе ЗУ.
На плате доп. модуля предусмотрена возможность установки выводного светодиода вместо одного из двух SMD-светодиодов, расположенных на плате модуля TP4056. Это может быть удобно для выведения светодиода на поверхность корпуса, в котором расположено ЗУ. В этом случае минусовый вывод этого светодиода надо соединить с платой модуля TP4056 отдельным проводником. На выбор: можно индицировать заряд или его окончание. При этом SMD-светодиод надо удалить, а токозадающий резистор 1кОм оставить. SMD-светодиод параллельно с выводным светодиодом работать не смогут (один будет шунтировать другого). Не следует уменьшать резистор, задающий ток через светодиод на плате TP4056, чтобы не перегружать операционный усилитель этим током.

Все вопросы в Форум.