Предисловие
Плата защиты литий-ионного аккумулятора предназначена для установки в те устройства, где нет встроенной защиты или полноценного контроллера заряда-разряда аккумулятора.
Литий-ионные аккумуляторы - существа нежные, и без защиты долго не живут; поскольку в процессе эксплуатации им угрожают многие беды и опасности: перезаряд, переразряд, превышение допустимого тока заряда (и разряда, соответственно), и наконец, самая страшная беда: короткое замыкание. Последняя из перечисленных бед может привести к взрыву аккумулятора с катастрофическими последствиями! Таких случаев в интернете описано более, чем достаточно.
Кроме того, для литиевых аккумуляторов опасен перегрев. В противоположность этому, умеренное переохлаждение - безопасно, т.е. после возвращения температуры в норму работоспособность аккумуляторов восстанавливается без потерь. Но эти факторы - внешние, и здесь рассматриваться не будут.
Так выглядит тестируемая плата защиты. Здесь надо обратить внимание, что на плате установлены три чипа (точнее, транзисторные MOSFET-сборки), а ещё три места свободны.
Это не значит, что устройству "недодали" транзисторов. Количество транзисторов одновременно определяет максимально-допустимый ток аккумулятора и порог срабатывания защиты по току. У того же продавца можно купить плату с четырьмя и с шестью транзисторными сборками, у которых допустимый ток - выше.
Выбирать надо плату под конкретную задачу, а не самую "навороченную": тут дело не в деньгах, а в технической полезности и целесообразности. Принцип "больше-лучше" здесь не работает!
Плата стоит очень недорого, купить можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату выхода обзора - около $1.5.
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
В конце обзора будет описана возможность бесплатной "добычи" платы защиты из вышедшего из строя аккумулятора.
Внешний вид и технические характеристики платы защиты li-ion аккумулятора
Устройство представляет собой бескорпусную плату с небольшим количеством элементов:
Плата защищает литиевый аккумулятор от следующих опасностей:
- перезаряд;
- переразряд;
- превышение допустимого тока заряда и разряда;
- короткое замыкание.
Тестируемая плата основана на контроллере защиты лития DW01B (datasheet DW01B, PDF, 1.1 MB). Кроме контроллера, на плате находится немного обвязки и три ключевых транзисторных MOSFET-сборки FS8205A (datasheet FS8205A, PDF). Сборки соединены параллельно, благодаря чему допустимый ток платы, соответственно, будет в три раза выше, чем для одной сборки; но в два раза ниже, чем для платы с шестью сборками.
Каждая сборка состоит из двух MOSFET-транзисторов, включенных встречно. Это связано с тем, что в каждом из MOSFET-ов есть защитный диод, и при применении только одного транзистора он пропускал бы ток в одном из направлений даже тогда, когда не надо. При встречном включении диодов их влияние будет устранено, а защита будет успешно работать в обоих направлениях.
Основные технические характеристики платы защиты таковы (краткая "выжимка" из datasheet):
• Ток защиты: 5 А;
• Напряжение срабатывания защиты от перезаряда: 4.3 В;
• Напряжение сброса защиты от перезаряда: 4.1 В;
• Напряжение срабатывания защиты от переразряда: 2.5 В;
• Напряжение сброса защиты от переразряда: 2.9 В;
• Напряжение срабатывания защиты по току: 0.15 В.
На все виды защиты действует задержка срабатывания от 7 до 110 миллисекунд во избежание срабатывания от случайных кратковременных выбросов тока и/или напряжения.
Напряжения срабатывания защиты и её "отпускания" сделаны не равными с той же целью.
Кроме того, надо обратить внимание, что в качестве параметра защиты по току указан некоторый порог по напряжению (!). Это связано с тем, что чип контроллера не производит замер тока как такового; а для его оценки использует величину падения напряжения на транзисторах защиты при протекании через них тока заряда или разряда.
С одной стороны, это - хорошо: на плате нет лишних элементов, падение напряжения на которых ухудшало бы КПД.
С другой стороны, порог защиты будет определяться применёнными транзисторами с присущими им разбросами параметров и их температурными изменениями.
Типовая схема включения и все технические параметры приведены в datasheet DW01B (ссылка выше).
Наконец, осмотрим плату с нижней стороны:
Здесь элементов нет, а силовые печатные проводники платы сделаны максимально-толстыми. Всё сделали правильно!
Тестирование платы защиты li-ion аккумулятора
Тестирование начинаем с измерения потребляемого тока.
Он составил 3.1 мкА (микроампер). Это - настолько ничтожная величина, что её влиянием на разряд аккумулятора можно пренебречь даже в долгосрочной перспективе (аккумулятор ёмкостью 1000 мАч разрядится более, чем за 300000 часов, т.е. около 34 лет!).
Проверка разряда аккумулятора проводилась при подключении в качестве нагрузки резистора 3.9 Ом. При таком сопротивлении нагрузки при номинальном напряжении аккумулятора 3.7 В ток нагрузки был почти равен 1 А.
Осциллограмма снималась с нагрузки с помощью осциллографа DSO150. Этот осциллограф - невысокого уровня, но зато в нём есть режимы сверхдлинных развёрток (до 500 с / деление - большая редкость!).
Далее приведена осциллограмма завершающего этапа разрядки аккумулятора (нулевая линия - в самом низу картинки, её уровень помечен желтым указателем в левом нижнем углу):
Теперь проведём глубокий и, главное, вдумчивый анализ осциллограммы.
Разряд аккумулятора в конце цикла ускоряется - это имманентное (внутренне присущее) свойство аккумуляторов и плата защиты тут ни при чём.
Когда напряжение на аккумуляторе достигло критического уровня (около 2.4 В), плата защиты нагрузку отключила.
Но, освобождённый от нагрузки аккумулятор стал понемногу "приходить в себя", напряжение на нём слегка увеличилось, это заметила плата защиты и снова включила нагрузку. Но восстановленного заряда хватило ненадолго (аккумулятор-то уже сильно истощён), и плата защиты снова отключила нагрузку.
Этот процесс ещё несколько раз повторился с увеличивающимися интервалами, пока после "последнего вздоха" эти процессы полностью не прекратились. При этом напряжение на аккумуляторе составило 2.84 В, т.е. чуть ниже порога возврата защиты в исходное состояние 2.9 В (помним, что напряжения срабатывания защиты и её возврата в исходное состояние не совпадают).
Теперь проведём следующий тест - заряд аккумулятора из состояния полного разряда.
Заряд проводился с помощью лабораторного блока питания, настроенного на ток выхода 1 А.
Осциллограмма процесса заряда:
На развёртке 500 с на деление процесс заряда полностью поместился на одной осциллограмме.
Точкой 1 помечено начало заряда, а точкой 2 - его окончание, когда плата защиты его прекратила (т.е. действительно защитила).
В точке 1 видим бодренькое и быстрое начало заряда (опять таки плата защиты здесь ни при чем), а в точке 2 можно заметить интересный процесс: когда плата защиты прервала заряд, напряжение на аккумуляторе, лишившись "подпорки" от внешнего источника питания, слегка снизилось (примерно на 0.15 В).
А уже из этого следует, что, хотя по спецификациям контроллера защиты, он отключает зарядку при достижении на аккумуляторе напряжения 4.3 В (что на 0.1 В завышено относительно предельно-допустимого для аккумуляторов); зато после отключения напряжение "естественным образом" снижается до 4.15 - 4.2 В, что уже вполне соответствует требованиям для лития.
Следующий тест - проверка защиты от превышения допустимого тока и короткого замыкания.
Этот тест был пройден не очень удачно: вместо заявленных 5 А защита сработала только при 9 А тока нагрузки. Сказывается разброс характеристик транзисторов в схеме защиты, умноженный на приближенность характеристик, указываемых производителями и продавцами.
Защита от короткого замыкания сработала без проблем; при этом остались живы-здоровы и аккумулятор, и сама плата защиты. Но после КЗ для восстановления работоспособности нужно на небольшое время полностью отключить нагрузку.
На этом можно завершить тесты и перейти к заключению.
Окончательный диагноз, рассуждения о способах применения и альтернативные варианты
Данная плата защиты полностью выполняет свои функции, хотя и не без оговорок.
Надо заметить, то напряжение на аккумуляторе, остающееся после срабатывания защиты от переразряда и составившее 2.8 - 2.9 В, не вполне соответствует общепринятому для литий-ионных аккумуляторов уровню нулевого заряда в 3.2 В. Но катастрофических последствий по этой причине быть не должно: это ещё не уровень глубокого разряда, "убивающий" аккумуляторы. Автору лично доводилось оживлять аккумуляторы с напряжением 1.4 В, после чего они продолжали служить верой и правдой.
Что касается ограничения токов, то их величина не регулируются и целиком определяются архитектурой платы, причем может быть ощутимый разброс, а также и температурный уход этого параметра.
В частности, у протестированного экземпляра ток срабатывания защиты оказался почти вдвое выше заявленного.
Если требуется плата для более высоких токов, то можно купить такую же плату, на которой будет установлено 4 или 6 защитных транзисторов.
Область применения этой платы защиты лития - устройства, питающиеся от односекционных литий-ионных аккумуляторов; и при этом не имеющие полноценных собственных контроллеров заряда-разряда.
В некоторых редких случаях плата защиты лития может и не требоваться, например, в светодиодных фонарях белого цвета свечения. У белых светодиодов порог прекращения свечения примерно равен порогу срабатывания платы защиты (ок. 2.5 В), и тут уже пользователь сам без платы защиты поймёт, что аккумулятор надо извлечь и подзарядить.
Если же на борту устройства уже имеется нормальный контроллер, то большого смысла в установке этой платы нет (разве что как дополнительная защита "на всякий случай").
Также возможно применение и в зарядных устройствах при аналогичных условиях.
Цена - около $1.5 с учетом доставки в Россию; купить можно, например, здесь.
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Дополнение: бесплатная платы защиты из старого или вышедшего из строя аккумулятора
В некоторых случаях плата защиты располагается в одном корпусе (пакете) с литий-ионным аккумулятором. Она выглядит как узкая конструкция, прикреплённая к торцу аккумулятора:
Аккумуляторы со встроенной в одном корпусе платой защиты применяются не во всех устройствах; в каждом конкретном случае надо разбираться отдельно.
В данном случае аккумулятор извлечён из игровой приставки Aio Smarti. Аккумулятор практически перестал держать заряд и перешел в разряд непригодных для дальнейшего использования.
Чёрная полоса по диагонали аккумулятора - это пористая резина, предназначенная для прижатия аккумулятора к своему посадочному месту, когда корпус приставки собран.
Все последующие операции выполняем аккуратно и без излишнего применения грубой физической силы: сама плата - очень тонкая, и её легко можно повредить!
Для снятия платы защиты сначала аккуратно разрезаем пластик вокруг платы и освобождаем плату от разных плёнок:
Теперь, когда контуры платы видны достаточно ясно, отрезаем плату от основной части аккумулятора вместе с проводниками, соединяющими плату и аккумулятор.
В итоге получаем плату, пригодную для дальнейшего использования в радиолюбительских применениях:
Плата основана на уже упомянутом выше популярном контроллере DW01B и транзисторной сборке 8205S.
При дальнейшем использовании плат защиты от вышедших из строя аккумуляторов надо иметь в виду, что они подойдут для аккумуляторов примерно такой же ёмкости, как и тот, с которого они были сняты. Иначе они могут быть перегружены и не смогут обеспечить требуемый ток заряда/разряда, или наоборот, не смогут предотвратить перегрузку аккумулятора.
Касательно именно той платы, которая здесь представлена на фотографиях, надо отметить, что хотя по фото кажется, что чёрный провод ("минус" питания) замкнут с "минусом" аккумулятора, на самом деле они разделены.
А положительные выводы - наоборот, объединены, хотя физически разнесены друг от друга. То есть, не теряем бдительность!
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" сайта Smartpuls.ru - здесь.