Портативное зарядное устройство своими руками

Портативное зарядное устройство своими руками

http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=538

На идею постройки этой конструкции меня натолкнул полёт в самолёте Airbus A380, в котором под подлокотником каждого кресла имеется разъём USB, предназначенный для питания USB-совместимых устройств. 

Но, такая роскошь есть не во всех самолётах, а уж тем более её не найти в поездах и автобусах. А я уже давно мечтаю пересмотреть от начала до конца сериал «Друзья». Так почему бы не убить сразу двух зайцев – посмотреть сериал и скрасить время в пути. Дополнительным стимулом к постройке данного девайса стало открытие залежей мощных литий-ионными аккумуляторов. 

Техническое задание

Портативое Зарядное Устройство (ЗУ) должно обеспечить следующие возможности.

1. Время работы в автономном режиме под номинальной нагрузкой, не менее – 10 часов. Литий-ионные аккумуляторы большой ёмкости, как нельзя лучше подходят для этого.

2. Автоматическое включение и отключение ЗУ в зависимости от наличия нагрузки.

3. Автоматическое отключение ЗУ при критическом разряде аккумулятора.

4. Возможность принудительного включения ЗУ при критическом разряде аккумулятора, в случае необходимости. Я полагаю, что в дороге может сложиться такая ситуация, когда аккумулятор портативного ЗУ уже разряжен до критического уровня, но необходимо подзарядить телефон для экстренного звонка. В этом случае, нужно предусмотреть кнопку «Экстренного включения», чтобы использовать всё ещё имеющуюся в аккумуляторе энергию.

5. Возможность заряда аккумуляторов портативного ЗУ от сетевого зарядного устройства с интерфейсом Mini USB. Так как зарядное устройство от телефона всё равно всегда берут с собой в дорогу, то можно его использовать и для заряда аккумуляторов портативного БП перед обратной дорогой.

6. Одновременный заряд аккумуляторов ЗУ и подзарядка мобильного телефона от одного и того же сетевого зарядного устройства. Так как сетевое зарядное устройство от мобильного телефона не может обеспечить достаточный ток для быстрого заряда аккумулятора портативного ЗУ, то заряд может растянуться на сутки и более. Поэтому, должна быть возможность подключить телефон на заряд прямо во время заряда батареи портативного БП.

Исходя из этого технического задания, было построено портативное ЗУ на литий-ионных аккумуляторах.

Блок схема

Портативное ЗУ состоит из следующих узлов.

1. Преобразователь 5 > 14 Вольт.
2. Компаратор, отключающий преобразователь заряда при достижении напряжения на батарее литий-ионных аккумуляторов 12,8 Вольт.
3. Индикатор заряда – светодиод.
4. Преобразователь 12,6 > 5 Вольт.
5. Компаратор 7,5 Вольт, отключающий ЗУ при глубоком разряде батареи.
6. Таймер, определяющий время работы преобразователя при критическом разряде батареи.
7. Индикатор работы преобразователя 12,6 > 5 Вольт – светодиод.

Импульсный преобразователь напряжения MC34063


Долго выбирать драйвер для преобразователя напряжения не пришлось, так как выбирать то было особенно не из чего. На местном радиорынке по разумной цене (0,4$) я нашёл только популярную микросхему MC34063. Сразу купил парочку, чтобы выяснить, возможно ли как-либо принудительно отключить преобразователь, так как в даташите на данный чип такая функция не предусмотрена. Оказалось, что сделать это возможно, если подать на вывод 3, предназначенный для подключения частотозадающей цепи, напряжение питания. 

На картинке типовая схема понижающего импульсного преобразователя. Красным отмечена цепь принудительного отключения, которая может понадобиться для автоматизации. 

В принципе, собрав такую схему, уже можно запитать телефон или плеер, если, например, питание будет осуществляться от обычных элементов питания (батареек).

Я не буду подробно описывать работу этой микросхемы, но из «Дополнительных материалов» вы можете скачать и подробное описание на русском языке, и небольшую портативную программу для быстрого расчёта элементов повышающего или понижающего преобразователя, собранного на этой микросхеме.

При использовании литий-ионных батарей, желательно ограничивать их разряд и заряд. Я для этой целей использовал компараторы на основе копеечных микросхем КМОП. Микросхемы эти крайне экономичны, так как работают на микротоках. На входе у них стоят полевые транзисторы с изолированным затвором, что даёт возможность применить микротоковый же Источник Опорного Напряжения (ИОН). Где взять такой источник я не знаю (Можно попобовать применить LM385 на 1.2В или 2.5В. Прим.ред.), поэтому воспользовался тем обстоятельством, что в режиме микротоков, напряжение стабилизации обычных стабилитронов снижается. Это позволяет управлять напряжением стабилизации в некоторых пределах. Так как это не задокументированное включение стабилитрона, то, возможно, для обеспечения определённого тока стабилизации, стабилитрон придётся подобрать. 

Чтобы обеспечить ток стабилизации, скажем, 10-20 мкА, сопротивление балласта должно быть в районе 1-2 МОм. Но, при подгонке напряжения стабилизации, сопротивления балластного резистора может оказаться, либо слишком маленьким (несколько килоом), либо слишком большим (десятки мегаом). Вот тогда придётся подобрать не только сопротивление балластного резистора, но и экземпляр стабилитрона.

Переключение цифровой КМОП микросхемы происходит тогда, когда уровень входного сигнала достигает половины напряжения питания. Поэтому, если запитать ИОН и микросхему от источника, напряжение которого требуется измерить, то на выходе схемы можно получить сигнал управления. Ну, а этот самый сигнал управления и можно подать на третий вывод микросхемы MC34063.

На чертеже изображена схема компаратора на двух элементах микросхемы К561ЛА7.

Резистор R1 определяет величину опорного напряжения, а резисторы R2 и R3 гистерезис компаратора.

Узел включения и идентификации зарядного устройства

Чтобы телефон или плеер начал заряжаться от разъёма USB, ему нужно дать понять, что это разъём USB, а не какой-то суррогат. Для этого можно подать на контакт «-D» положительный потенциал. Во всяком случае, для Blackberry и iPod-а этого достаточно. Но, моё фирменное зарядное устройство подаёт положительный потенциал ещё и на контакт «+D», поэтому я поступил точно так же.

В конструкции портативного ЗУ предусмотрен и механический выключатель питания, но его назначение скорее соответствует "выключателю массы" АКБ в автомобиле.

На рисунке представлена схема мобильного блока питания.

C1, C3 = 1000мкФ

C2, C6, C10, C11, C13 = 0,1мкФ

C4, C5 = 680пФ

C7 = 3000мкФ

C8 = 10нФ

C14 = 20мкФ (танталовый)

IC1, IC2 – MC34063

R3, R12 = 1k

R27 = 44m

DD2 = К561ЛЕ5

R4, R7 = 300k  

R28 = 3k

R5 = 30k

HL1 = Green

R6 = 0,2E

VD3, VD6 = КД510А

HL2 = Red

R8, R15, R23, R29 = 100k

VT1, VT2, VT3 = КТ3107

L1 = 50mkH

R10, R11, R13, R26 = 1m

VT4 = КТ3102 

R16, R24 = 22m  

Подбираются

R0, R21 = 10k  

R17, R19, R25 = 15k

R14* = 2m

R18 = 5,1m

R22* = 510k

R2 = 0,3E

R20 = 680E

VD4*,VD5* = КС168А

IC1 – повышающий преобразователь напряжения 5 > 14 Вольт, который служит для заряда встроенной аккумуляторной батареи. Преобразователь ограничивает входной ток на уровне 0,7 Ампера.

DD1.1, DD1.2 – компаратор заряда батареи. Прерывает заряд по достижению 12,8 Вольт на батарее.

DD1.3, DD1.4 – генератор индикации. Заставляет мигать светодиод во время заряда. Индикация сделана по аналогии с зарядными устройствами Nikon. Пока идёт заряд, светодиод мигает. Заряд окончен – светодиод горит постоянно.

IC2 – понижающий преобразователь 12,6 > 5 Вольт. Ограничивает выходной ток на уровне 0,7 Ампера.

DD2.1, DD2.2 – компаратор разряда батареи. Прерывает разряд батареи при снижении напряжения до 7,5 Вольт.

DD2.3, DD2.4 – таймер экстренного включения преобразователя. Включает преобразователь на 12 минут, даже если напряжение на батарее упало до 7,5 Вольт.

Тут может возникнуть вопрос, почему выбрано такое низкое пороговое напряжение, если некоторые производители не рекомендуют допускать его снижение ниже 3,0 и даже 3,2 Вольта на банке?

Я рассуждал так. Путешествия случаются не так часто, как этого бы хотелось, поэтому батарее вряд ли придётся пережить много циклов заряда-разряда. Между тем, в некоторых источниках, описывающих работу литий-ионных батарей, напряжение 2,5 Вольта как раз называют критическим.

Но, Вы можете ограничить предельный разряд более высоким уровнем напряжения, если предполагается часто использовать подобное зарядное устройство.

Печатные платы (ПП) изготовлены из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1мм. Размеры ПП выбраны исходя из размеров приобретённого корпуса.

Все элементы схемы, кроме аккумуляторной батареи, размещены на двух печатных платах. Причём на меньшей расположен только разъём Mini USB для подключения внешнего зарядного устройства.

Узлы БП были помещены в стандартный полистироловый корпус Z-34. Это самая дорогая деталь конструкции, за которую пришлось выложить 2,5$.

Выключатель питания поз.2 и кнопка принудительного включения поз.3 спрятаны заподлицо с внешней поверхностью корпуса, во избежание случайного нажатия.

Разъём Mini USB выведен на заднюю стенку корпуса, а разъём USB поз. 4 вместе с индикаторами поз. 5 и поз.6 на переднюю.

Размер печатных плат рассчитан так, чтобы зафиксировать аккумуляторы в корпусе портативного БП. Между аккумуляторами и другими элементами конструкции вставлена прокладка из электрокартона толщиной 0,5мм, согнутая в виде коробки.

А это портативный БП в собранном виде. 

Настройка портативного зарядного устройства свелась к подбору экземпляров стабилитронов и сопротивлений балластных резисторов для каждого из двух компараторов.

Как подогнать резисторы с высокой точностью описано здесь.

Дополнительные материалы
Скачать даташит на микросхему MC34063 и её аналог КР1156ЕУ5 на русском языке (50КБ).

Скачать портативную программу для расчёта параметров преобразователя MC34063 (60КБ).

Скачать чертёж печатной платы в формате Sprint Layout (50КБ).

Скачать портативную программу Sprint Layout 5.0 для рисования, редактирования и вывода на печать печатных плат. Интерфейс русский. (4,4МБ).

Многоканальное универсальное ЗУ для ускоренного заряда АКБ

http://isto4nik-toka.blogspot.ru/2009/11/blog-post_29.html

Предлагаю схему многоканального автоматического зарядного устройства для заряда аккумуляторных батарей, применяемых в широком ряде устройств (в частности мобильных телефонов), фиксированным током до предустановленного напряжения.

На мой взгляд мне удалось реализовать самое простое решение для подобного устройства с минимумом деталей и на широко доступных радиоэлементах (меньше деталей возможно только при использовании PIC-контроллера, но такой вариант имеет свой ряд ограничений, таких как масштабируемость устройства для бОльшего количества АКБ и их различий) .

Устройство будет полезным там, где нужно быстро заряжать много аккумуляторов (магазины, ремонтные мастерские).

Ток заряда можно менять в диапазоне до 2ампер (определяется граничным током ИМС LM317). Рекомендуемый ток заряда для Li-Ion типов батарей на 4.2V(3.7) 500мА (определяется номинальной емкостью аккумуляторной батареи, например для емкости в 500мАч, ток заряда должен быть не более 500мА.

Для Ni-Cd, NiMH аккумуляторов ток заряда должен быть не более 10% от емкости и кроме того желательно его постепенное уменьшение по мере заряда (особенно у старых Ni-Cd аккумуляторов), не соблюдение этого условия может привести быстрой потере ёмкости АКБ, поэтому заряд этих аккумуляторов данным устройством не желателен и должен носить однократный характер (при отсутствии штатного ЗУ).

Схема устройства:

Схема условно разделена на функциональные блоки:

• 
  Выпрямитель
  
• 
  Опора (формирователь опорных напряжений)
  
• 
  Таймер Заряд-Контроль (обеспечивает попеременное переключение зарядного устройства из режима заряда в режим измерения напряжения на АКБ)
  
• 
  Модули заряда и контроля напряжения АКБ (определяют ток заряда и формируют импульсы стадии зарядки АКБ)
  
• 
  Триггер остановки заряда (приостанавливает процесс заряда при достижении заданного напряжения на аккумуляторной батарее, при понижении напряжения заряд автоматически возобновляется)
  

Работа:
Для сигнализации состояния заряда служит светодиод D10.
Его свечение имеет несколько состояний:

• 
  Мигание с полным угасанием в моменты контроля напряжения АКБ - нет АКБ, глубокий разряд или переполюсовка 
  
• 
  Мигание с частичным угасанием (изменение яркости) - идет заряд
  
• 
  Постоянное свечение - зарядка завершена
  

После полного заряда последние два режима чередуются по мере разряда АКБ на сопротивление R13.
Для более точной оценки можно добавить цифровой вольтметр и коммутирующие кнопки.

Устройство:
Типичные эпюры напряжений:

Переменное напряжение порядка 8...9 вольт* (без нагрузки) снимается со вторичной обмотки трансформатора ТР1, после чего выпрямляется диодным мостом D1-D4и сглаживается конденсатором С1.

Это напряжение служит для питания всех микросхем устройства и не должно превышать 15 вольт без нагрузки.
Модуль заряда и контроля АКБ работает следующим образом.
Микросхема DA4 LM317 включена в режиме стабилизации тока, единственное отличие от классической схемы состоит в добавлении резистора R9 в цепь обратной связи, что позволило управлять ИМС малыми токами.
Управление заключается в том, что при подаче на управляющий вход DA4 напряжения близкого к нулевому, ИМС почти полностью закрывается и на выходе остается около 1.9 вольта (1.25 - стандартное минимальное напряжение плюс падение на одном или обоих диодах D6, D7) которое полностью сводится к нулевому на контактах АКБ1-АКБ4 при глубоком их разряде, из-за падения на защитном диоде D5 и сопротивлении R8 при протекании выбранного тока (500mA). Другими словами ток заряда АКБ не превышает установленного даже если АКБ разряжена до 0.
В свете вышесказанного при заряде аккумуляторов на 1.3 вольта есть одна особенность - диоды D6, D7 следует выбирать с малым падением напряжения в открытом состоянии, а диод D5 составить из двух последовательно включенных, что бы во время прекращения заряда ток через АКБ полностью прекратился (падение на микросхеме 1.25V плюс падение на одном из диодов 0.6...0.7V должно быть меньше чем напряжение на заряженной АКБ (1.3V) плюс падение на диодеD5).
На микросхеме DA5 собран компаратор, который сравнивает напряжение на контактах АКБ с опорным (4.2V и 1.3...1.4V). Особенность его работы заключается в том, что если хоть при каких условиях на АКБ напряжение не превышает установленное опорное, то на выходе формируется высокий уровень напряжения, и не важно когда это происходит, во время замера или в режиме заряда, на дальнейшую работу схемы это влияния не оказывает. Но когда батарея близка к полному заряду, напряжение на ней во время зарядки может превышать установленное опорное, в этом случае на 9 выходе DA5 положительные импульсы будут появляться только во время режима измерения.
Таймер Заряд-Контроль.
Для чередования режимов измерения и заряда служит таймер DA2 включенный в режиме автогенератора. Кондесатор C2 заряжается через резисторы R1, R2 и разряжается через R2.
Период следования импульсов при выбранных номиналах составляет приблизительно 0.1Гц и принципиального значения не имеет, единственное ан что нужно обращать внимание, это что-бы длительность режима измерения была достаточной для нормализации напряжения на АКБ током разряда через сопротивление R13, что впрочем тоже не окажет существенного влияния на работу схемы, так как при первом же случае превышения напряжения на АКБ выше опорного, эти паузы измерения будут увеличиваться из-за включившегося в работу триггера DA3.
Короткие отрицательные импульсы с 3 выхода DA2 через диод D6 закрывают микросхему DA4 и ток через АКБ прекращается (включается режим измерения). Положительные импульсы на работу DA4 не влияют.
На транзисторе VT1 собран инвертор импульсов DA2 для сброса триггера DA3 в нулевое состояние синхронно с началом каждого измерения.
Триггер остановки заряда.
Собран на логической ИМС DA3. Особенность его работы в том, что он сохраняет состояние своих выходов исходя из того, на каком из входов управления был последним высокий логический уровень.
Одновременное присутствие высоких уровней на входах (сброса R и установки S) состояния триггера не меняет, но на выходе транслируется логическая "1", которая не влияет на работу модуля заряда и контроля (ИМС DA4).
Высокий логический уровень на входе сброса R может сбросить выход Q триггера в "0" во время режима измерения (если в это время на входе S не будет присутствовать высокий уровень напряжения), который через диод D7 закроет микросхему DA4 и заряд прекратится.
Но пока батарея не заряжена до предустановленного напряжения, импульсы высокого уровня будут продолжать поступать с выхода микросхемы DA5 через цепь задержки D8, C7, R11 на S вход DA3 одновременно с импульсами сброса и заряд прекращаться не будет.
Цепочка D8, C7, R11 введена для того, что бы задержать высокий уровень на S входе DA3 после прекращения действия импульса сброса, иначе высокие уровни прекратятся одновременно и триггер будет установлен случайным образом.
Когда АКБ будет заряжено положительные импульсы перестанут поступать на S вход DA3 на выходе Q установится низкий уровень напряжения и заряд прекратится пока напряжение на АКБ снова не снизится ниже опорного, тогда заряд возобновится.
Опора.
Служит для формирования опорных напряжений, она выполнена на стабилизаторе DA1 на выходе которого получается стабилизированное напряжение 5 вольт (можно выбрать и 6 вольтный стабилизатор, даже стабилитрон если это экономически целесообразно).
Значения сопротивлений делителя R5, R6, R7 определяют конечные напряжения опоры.
Возможно у вас найдутся причины выбрать несколько иные напряжения, поэтому выбирайте их самостоятельно.
Микросхемы DA4 следует установить на теплоотвод.

Обратите внимание, что хоть зарядное устройство защищено от неправильного подключения АКБ (переполюсовки), то само АКБ нет, и в случае неправильного подключения может вывести АКБ из строя.
Исключить такой вариант тоже было бы возможным, но это приведет значительному усложнению схемы, так что следите за правильностью подключения самостоятельно.

* можно использовать и бОльшее напряжение до 12 вольт, но в этом случае возрастут тепловые потери от падения напряжения на DA4

При копировании материала наличие обратной ссылки обязательно.

Мой вариант печатной платы устройства:

Устройство в сборе:

Автор: Sunktor на 7:54

Ярлыки: Li-Ion, LM317, зарядка, многоканальная, мобилки, простая схема, универсальное ЗУ

АКК NOKIA-5A

http://vrtp.ru/index.php?showtopic=7606
Схема в батарее упровляет напругой верх 4.2v низ 3.2v выше или ниже батарея отключится если схема неисправна спасает телефон там тоже есть управление зарядом
Если напруга на элементе выше или ниже батарея надуется
Схема в элементе ток не ограничевает
Заряжать можно хоть чем но нужно ограничить ток например лампочкой которая заодно будет индикатором
Вбольшенстве случаев стоит примерно такая схема. 

Смотри даташит на TS2208A/B Li-Ion Battery Protector