Прежде чем начать
Прежде чем читать эту статью, рекомендуем вам ознакомится со следующей теорией:
Зачем нужен этот прибор?
Li-ion аккумуляторы очень часто используются в качестве источника питания переносных приборов. Например, приборы — велокомпьютер, кухонный таймер и другие, работают на компактных литиевых аккумуляторах. Данные аккумуляторы имеют очень хорошие параметры, но они легко могут выйти из строя. Если аккумулятор разрядить ниже 2.7В и оставить на долгое время в таком состоянии, то он безвозвратно испортится. В таком состоянии происходят необратимые химические изменения в структуре основного носителя. Именно для того, чтобы не допустить данной ситуации, и необходим данная мини плата.
На рынке существуют специальные микросхемы для защиты аккумулятора от переразряда и перезаряда, однако их сложно купить, так как в основном они нужны производителям аккумуляторов (обычно схемы защиты встраиваются сразу в сам аккумулятор). Поэтому в розницу они или не продаются, или дорого стоят. Защищать от перезаряда аккумулятор нет необходимости, если вы заряжаете его нормальными зарядными устройствами, а вот от разряда — есть. Даже если ваш прибор в спящем режиме будет потреблять всего лишь 30 мкА, то за месяц он может вывести из строя аккумулятор небольшой ёмкости. Итак, разберёмся как же можно самостоятельно сделать прибор защиты Li-ion аккумулятора от разряда.
Постановка задачи, требования к прибору
Основные требования к нашему прибору
Небольшой размер
Ток нагрузки 2А
Микропотребление тока
Низкая стоимость
Доступность компонентов
Подбор компонентов
Для того чтобы защитить аккумулятор, необходима какая-то схема, которая будет контролировать напряжение на аккумуляторе и в случае необходимости отключать с помощью электронного ключа (транзистора) потребитель от аккумулятора.
Для контроля напряжения можно использовать различные элементы — компараторы, стабилитроны, но все они потребляют довольно большой ток и далеко не компактны. Мы будем использовать специальную микросхему - монитор схемы сброса микроконтроллера. Ну а для отключения потребителя, правильнее всего использовать MOSFET транзистор. Так как его сопротивление в ключевом режиме очень мало, то он сможет коммутировать большие токи, даже если сам он очень маленький.
Монитор схемы сброса микроконтроллера
Данный класс микросхем наблюдает за напряжением питания микроконтроллера, и в случае сбоя в питании, который может привести к некорректной работе МК, формирует сигнал сброса (RESET). Микросхемы имеют очень простое подключение — достаточно только подключить питание VDD и GND, и на третьем выводе формируется сигнал RESET.
Различные микросхемы могут формировать как прямой сигнал сброса — логическая единица, так и обратный — логический ноль. Нам нужен такой монитор на напряжение около 3В с очень низким собственным потреблением тока и обратным сигналом RESET. На эту роль отлично подходит микросхема MAX809 в корпусе SOT-23. Вот её упрощённая схема:
На
выходе она имеет PUSH-PULL каскад, который
в случае напряжения на входе больше
2.9В выдаёт логическую единицу, а в случае
если оно меньше 2.9В — то логический
ноль. Собственное потребление тока
составляет всего 500 nA.
Допустим, что у нас аккумулятор LIR2032 ёмкостью 40мА. Когда его напряжение падает ниже 2.9В, то остаётся около 5% ёмкости, то есть около 2мА. При таком микро потреблении, этого хватит более чем 150 дней. Конечно, как вы видите, даже используя такую схему, аккумулятор все равно необходимо проверять и постоянно заряжать. Поэтому, если вы решили долго не пользоваться прибором, то лучше зарядить аккумулятор до напряжения хранения (около 3.8 В) и отключить совсем от прибора (можно оставить подключённым к схеме контроля).
Подбираем ключевой транзистор — MOSFET
Нам надо коммутировать токи около 2А. Лучше всего использовать N-канальный MOSFET, он будет дешевле при тех же параметрах. Так же, так как у нас напряжение управления будет от 2 до 4 вольт, то нужен логический MOSFET.
Транзистор IRLML6244TRPbF в корпусе SOT-23 отлично справится с этой задачей. Его сопротивление в открытом состоянии составляет максимум 27 мОм.
Рассчитаем какой максимальный ток он сможет коммутировать. Тепловой коэффициент данного корпуса при минимальной площади пайки составляет около 300 градус на Ватт (обратите внимание, что в datasheet указано 100 градусов, при пайке корпуса на 1 кв. дюйме площади меди, а у нас такой площади нет).
Максимально транзистор может нагреться до 150 градусов (при этом его сопротивление будет 27 мОм * 1.5 = 40 мОм). Если принять рабочую температуру прибора до 40 градусов, то значит нагрев надо рассчитывать исходя из 110 градусов (150-40). Таким образом, при выбранном корпусе имеем около 360 мВт мощности (просто делим наши градусы на тепловой коэффициент). При нашем сопротивлении 40 мОм получаем ток 3 А (исходя из формулы P = I*I * R). При реальном расчёте, лучше брать запас мощности около 30% - получается 2.1А.
{product id=37}
Составляем схему
Итак, компоненты мы выбрали. Схема получается совсем простая.
Резистор
R1 необходим для ограничения скорости
открытия транзистора и снижения нагрузки
на управляющий каскад микросхемы.
Резистор R2 необходим для защиты базы
транзистора, а также для его надёжного
закрытия при запуске схемы. Отметим,
что резистор R2 даёт лишние 50 мкА
потребления тока (при питании от 5 вольт),
поэтому слаботочных схемах, когда прибор
большую часть времени проводит в спящем
режиме его лучше исключить!
Печатная плата используется односторонняя и имеет размер всего 10х6 мм. Ширина силовых дорожек составляет 0.5мм, что вполне достаточно для тока 2А.
Как изготовить данный прибор самостоятельно
Делаем плату и все запаиваем
Подготовить или приобрести необходимые инструменты: все для пайки
Внимательно прочитать статьи из раздела Обязательная теория.
Скачать необходимые файлы по данному прибору с github.
Изготовить плату для прибора самостоятельно (это совсем несложно, в нашей инструкции все подробно описано).
Приобрести все необходимые комплектующие.
Запаять все компоненты на плату, смотри наше видео.
Плата готова!
Разъёмы здесь не используются, плата припаивается проводами. По окончанию лучше запаять готовую плату в термоусадку нужного размера. По необходимости вы можете переделать плату под свой размер (например, для аккумулятора 18650, которые дешевле купить без платы защиты).
Дополнительные проверки и тесты
Проверить плату очень легко, достаточно подключить потребитель к аккумулятору (например прибор или светодиод) и дождаться когда он сядет. После этого проверить напряжение на нем, оно должно быть около 2.9В.
Приобретённые навыки
Пайка: пайка корпуса SOT-23
Схемотехника: схема защиты Liion аккумулятора от разряда