Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.

Lipo-модели – это высококачественные продукты из области радиоуправляемой электроники. Аккумуляторы для них, также должны соответствовать качеству и долговечности радиоуправляемой продукции.

Зарядное устройство Lipo считается одним из наиболее распространенных устройств в своей сфере деятельности. Их различают по мощности, скорости зарядки, корпусам и размерам. В продажах они представлены в большой разновидности. Встречаются аккумуляторы на 1.6, 2.2, 2.65, 3.8, 4, 5, и даже на 6000 миллиампер. Делают их, в основном, в жестком защитным корпусе, который делает устройство более долговечным, защищая его от различных механических повреждений.

Принцип работы

LIPO-батарея заряжается 1С-током (если не указанно заряжать по-другому на самой батарее. Дело в том, на сегодняшний день, научно-технический прогресс не стоит на месте, и уже начали появляться зарядные устройства с возможностью подзарядки 2С и 5C- уровнями). Базовый зарядный ток данной батареи становит от 1-го Ампера. К примеру, батарея на 2200 миллиампер требует 2.2 ампера силы подзарядки. Таков порядок зарядки будет становить и для других видов зарядных устройств подобного типа.

Компьютеризированное зарядное устройство выполняет балансировку батареи (выравнивание вольтовой нагрузки на каждой банке батареи) во время подзарядки. Хотя и заряжать можно с помощью 2S-батарей, без помощи кабеля балансировки, представленным в белом разъеме на фотографии, настоятельно рекомендуется подключать балансировочный разъем. 3S и более современные зарядные возможности, нужно использовать только с подключенным проводом балансировки. Если не придерживаться данной инструкции, возможно перенапряжение устройство и пожар в доме, в последствии.

Где выгодно приобрести данный вид зарядных устройств?

Наш интернет-магазин занимается прямимы продажами высококачественной радиотехники. Мы закупаем радиоуправляемые модели и запчасти к ним, исключительно у проверенных поставщиков. У нас можно выбрать зарядные устройства для Lipo-моделей высочайшего качества за вполне доступные средства.

@@ Идея собрать что-нибудь своими руками для моделиста не чужда, даже можно сказать родна. Но когда речь идёт об электронике, то часто рядовой (тем более начинающий) моделист опускает/поднимает руки от, казалось бы, безвыходного положения чувствительных денежных затрат. Эти страхи не исключение и для тех, кто думает перейти на LiPo аккумуляторы.

@@ Зарядное устройство за приемлемую цену не гарантирует безопасную зарядку. На дорогой зарядник сразу как-то и денег жалко. Тем более, когда читаешь в форумах про профессиональные "умные" зарядники, которые тоже не всегда согласны с требованиями пользователя.

@@ А для начинающего моделиста мысли о бюджете зачастую одерживает верх над разумным заключением о том, что "бесплатный сыр есть только в мышеловке". По этой причине, а также желание прижечь пальчики паяльником подтолкнули меня к разработке своего, в меру "умного" зарядника.

@@ Поиски в интернете готовых схем показали, что их немало. Однако найти простой, в меру умный, не удалось. Вот тогда я окончательно и определился: собирать самому. Наковыряв информации по зарядке LiPo, принялся за железо. Особых знаний в электронике не имею, поэтому самому с нуля разработать схему было не по зубам. За основу был взят "апликейшин ноут" от AVR.

@@ Теперь нужно определиться с возможностями зарядника. Свободного времени крайне мало, поэтому сразу ограничил функции зарядного устройства. Плюс несложные мат. расчёты подвели к следующему:

Микроконтроллер ATtiny26
Выбор этого контроллера был не случаен. Он имел в наличии быстрый ШИМ-125KHz, что упрощало схему. Ну и ресурсов - тютелька в тютельку - для реализации поставленной задачи. Ах да... и цена.

Питание 10-12 вольт (для подзарядок в поле)
По началу колебался, а где взять больше 12 вольт, требуемые для заряда 3х банок. Пока не нашёл у себя в загашнике преобразователь 12->24 вольта для автомобиля. Схема оказалась на столько простой, что в принципе можно повторить и самому. Перепаял её на 14 вольт.

Мощность - максимум 1.5А - 1-3 банки LiPo (12.6 вольт)
Другие аккумуляторы даже и не были в планах...

Мозгами должен соображать, когда прекратить заряд и чтоб не вывести аккумулятор из строя (контроль температуры, времени, напряжения и силы тока)

Учет балансира при зарядке
Думал сначала встроить в зарядник, но потом решил сделать отдельным проектом - ведь девиз был: "будь проще!"

Визуальный контроль за всем происходящим (чтоб знать что там в коробке происходит).

@@ Собрал схему на макетке. Написал тест-программу, подсоединил резистор... В общем, работа пошла. 2КБ свободной памяти под программу стали стремительно уменьшаться, что свидетельствовало о свете в конце туннеля.

"""" Сразу столкнулся с проблемой - регулировка тока заряда никуда не годная - прыгает в пределах 30%. Много раз переписывал код, отвечающий за контроль и удержание тока заряда на заданном уровне - толком ничего не помогло. Дошло...Проблема не в программе. Померил осциллографом... Так у меня пульсации на шунтирующем резисторе под 2 вольта размахом. Что-то не так со схемой. Подбирал катушку и частоту включения силовика - не очень то и помогло. А вот увеличил выходной конденсатор с 470Мф до 2200Мф - всё встало на свои места. Вывод: где-то в Атмеловском апликейшн ноуте ошибка. Полазил по форумам - так оно и есть. Ну что-ж, пожалуй это была самая большая проблема.

@@ Ещё одна проблемка, но уже поменьше - это замер температуры. Вначале мне казалось, что это одна из самых простых задач. Дело в том, что терморезистор изменяет свои значения не линейно, а логарифмически. Это выглядит так:

"""" Этот график и взял время, так как в даташите на резистор было мало информации в отношении сопротивление=температура. А мне нужно было получить значения для каждого градуса. Пришлось задействовать Excel. Так что, если кто желает точных показаний температуры для своего резистора (что совершенно бессмысленно, так как аккумулятор не умрёт, если вместо 40 градусов он будет 42) может считать сам. Далее составляем таблицу значений ADC по формулам:

@@ V=5*(Rt/(Rt+1000)) , где Rt - сопротивление резистора при определённой температуре, взятое из графика.

@@ Полученное значение ADC и записываем в таблицу в файле ntc.inc. Так поступаем для всех значений температуры от 5 до 50 градусов с шагом в один градус. Больше особых проблем не предвидится, можно рисовать печатку. Делал это в WinQCad, а вообще это дело вкуса.

@@ У меня получился такой вариант:

"""" Рисунок печатной платы: лицевая сторона скачать архив (5 кБ) , обратная сторона скачать архив (2 кБ) . Как видно из рисунка, аналоговая земля отделена от основной земли и соединены резистором в 0 Ом.

"""" Как видно из рисунка, аналоговая земля отделена от основной земли и соединены резистором в 0 Ом. Расположение элементов на плате таково:

@@ Так как весь процесс изготовления предполагается для домашних условий, соответственно и плата тоже простая. Хоть она и двухсторонняя, но как видно вторая сторона не нуждается в прецизионном позиционировании с первой. И дырок минимальное число.

@@ Рисунок платы можно переносить любым доступным способом (утюг, фоторезист и т.д.).
Затем травим, сверлим дырочки и проводочками сквозь дырочки имитируем металлизацию отверстий. Вот плата и готова - можно напаивать остальной огород.
@@ Но перед напайкой резисторов R5, R6, R7, R8, R4, R9 почитайте раздел нижеследующее.

@@ Процесс настройки сводится к следующему:

1. Необходимо замерить точное сопротивление резисторов R5 и R6 в параллели;

2. Проверить сопротивление резисторов R7, R8, R4, R9;

INT(ConstVRef/80*((ResistorPos/ResistorGnd)*128+128)), где ConstVRef=3700 (напряжение с TL431 в милливольтах), ResistorPos=сопротивление резисторов R7 и R8 в омах, ResistorGnd= сопротивление резисторов R4 и R9 в омах;

4. Используя всё те же значения, рассчитываем коэффициент ConstImul по формуле:

ConstImul = INT(ConstVRef/(ResistorGnd/(ResistorPos+ResistorGnd)*ResistorSht)*8)

Где плюс к уже сказанному ResistorSht=сопротивление резисторов R5 и R6 в параллели умноженное на 100 (например, два резистора в 1 Ом = 0,5 Ом * 100 = 50);

5. Подставляем полученные коэффициенты в файле LiPoCharger.asm, в строчки:
.equ ConstVmul = 22229
.equ ConstImul = 2416

6. Компилируем в AVRStudio и заливаем в процессор;

7. Теперь на готовой и работающей плате, переменным резистором R14 выставляем напряжение в 3,7 вольта на 17 ноге процессора;

8. При желании можно экспериментальным путём выставить точную скорость процессора через OSCCAL. В моём случае это 0xA0.

@@ Далее - прошивка. Запрограммировать микроконтроллер можно стандартным способом (через SPI). Схемы программаторов и всё с этим связанное не входит в компетенцию данной статьи. Единственное замечание - при программировании микроконтроллера необходимо отключить напряжение заряда - 14 вольт (физически отсоединить провод).

@@ При правильном монтаже и соблюдении 8 пунктов настройки, зарядник начнёт работать сразу. Инструкцию по пользованию устройством написать никак руки не доходят, поэтому, если кто-нибудь, когда-нибудь повторит эту схему и напишет инструкцию - буду очень благодарен. Хотя пользование зарядником до смешного просто - всего две кнопки. Нет никаких скрытых "недокументированных" возможностей.

@@ Схема зарядника - скачать архив (24 кБ)

Для зарядки LiPo аккумуляторов большой емкости, недорогие зарядные балансиры не вполне подходят по причине ограниченного зарядного тока, в результате чего заряд аккумуляторов большой емкости (2…5А) растягивается на весьма длительное время. Предлагаемое зарядное устройство предназначено для зарядки 2S…3S LiPo аккумуляторов большой емкости с их балансировкой и индивидуальным отключением банок, на которых напряжение достигло 4,2 вольт.

Данная схема предназначена для зарядки 2S и 3S аккумуляторов, но при необходимости заряжать 4S или 5S аккумуляторы, достаточно увеличить число ячеек. Все ячейки одинаковы.

Принцип работы ЗУ рассмотрим на примере одной ячейки. Основой является прецизионный cтабилитрон TL431 с регулируемым порогом включения. Порог включения задается резистивным делителем напряжения на выводе управляющего электрода стабилитрона. До момента включения стабилитрона весь ток заряда течет через аккумулятор. Стабилитрон через резистор 1 Ком подключен параллельно аккумулятору, и напряжение на плюсовой шине, а также на резистивном делителе (и на управляющем электроде стабилитрона) по мере заряда аккумулятора постепенно возрастает. При достижении напряжения на аккумуляторе 4,2 Вольт открывается стабилитрон и от падения напряжения на резисторе 1 Ком открывается силовой транзистор КТ816. Зарядный ток теперь проходит через него. Загорается сигнализирующий светодиод. Цепочка из 4х последовательно соединеных мощных диодов и переход КЭ транзистора являются мощным стабилитроном с напряжением стабилизации около 4,2 Вольт, который препятствует разряду аккумулятора через открытый переход транзистора. Резистор *1,5 Ком подобрать таким образом, что бы при достижении на соответствующей банке аккумулятора напряжения +4,2 Вольт стабилитрон открывался и загорался сигнальный светодиод.

Доработанная схема.

Каждый транзистор имеет небольшой радиатор 20 х 40 мм из аллюминия 1 мм.

Выходное напряжение, поступающее с выпрямителя на балансир должно превышать напряжение заряжаемой батареи. В выпрямителе использован диодный мост на ток 3 А и конденсатор 2200 мкф х 36 Вольт.

Для одной банки - напряжение с выпрямителя должно быть около 6 Вольт.
Для двух банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 11 Вольт.
Для трех банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 15 Вольт.
Для четырех банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 20 Вольт.

При необходимости можно коммутировать обмотки трансформатора.
Напряжение отсечки заряженной банки 4,2 вольт.

Ток заряда для аккумуляторов выставляется мощным проволочным переменным резистором 10…20 Ом в пределах 1…2 А, а для аккумуляторов маленькой емкости в пределах 0,5 А.
Пользуюсь этим зарядником два года. Заряжаю аккумуляторы 1,8……….3,0 А.

Монтажка

Негатив печатной платы на три зарядные ячейки (3S LiPo) . Вид со стороны дорожек.

Вариант конструктивного исполнения ЗУ. Вид спереди. Диоды горят - заряд окончен.

Вид сзади. Видна ось переменного проволочного резистора установки тока.

Общий вид на внутренности.

Вид на печатную плату.

Видны - переменный резистор, диодный мост, конденсатор фильтра.

Специально для скептиков и приверженцев микроконтроллеров хочу сказать следующее.
Я ни в коем случае не отрицаю преимущества микроконтроллеров перед технологиями 80х годов!
Но схемотехника и технологии 80х доступны даже начинающим радиолюбителям, чего не скажешь о микропроцессорах. В данной статье я просто хочу показать, что на простых советских радиоэлементах, можно без особых усилий и материальных затрат за пару дней собрать то или иное нужное для дела устройство!

Александр Дегтярев, Владикавказ

Дополнительная статья

Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир. Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор. При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратиться. При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжиться. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры. Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.

Саму функцию контроля напряжения, легко смог бы выполнить любой компаратор, снабжённый опорным напряжением… Но компаратора у нас нет (точнее – он есть, но использовать его нам не удобно и не выгодно). У нас есть TL431. Но компаратор из неё, честно сказать – никакой. Сравнивать напряжение с опорным она умеет очень хорошо, но вот выдать чёткую, однозначную команду на силовой ключ, она не может. Вместо этого, при подходе к порогу, она плавно начинает загонять силовой ключ в активный (полуоткрытый) режим, ключ начинает сильно греться, и, в итоге, мы имеем не балансир, а полную ерунду.

Вот именно эту проблему, которая не позволяла полноценно использовать TL431, удалось решить на днях. Ларчик просто открывался (но открывать его пришлось более двух лет) – надо было превратить TL431, в триггер Шмитта. Что и было сделано. Получился идеальный балансир - точный, термостабильный, достаточно простой, с чёткой командой на силовой ключ.

Ниже - две принципиальные схемы балансиров, рассчитанные для контроля порогов LiFePO4 и Li-ion аккумуляторов.

Превратить TL431 в триггер Шмитта, удалось добавив в схему p-n-p транзистор Т1 и резистор R5. Работает это так - делителем R3,R4 определяется порог контролируемого напряжения. В момент, когда напряжение на управляющем электроде достигает 2,5 Вольта, TL431 – открывается, открывается при этом и транзистор Т1. При этом потенциал коллектора повышается, и часть этого напряжения через резистор R5 поступает в цепь управляющего электрода TL431. При этом TL431 лавинообразно входит в насыщение. Схема приобретает ярко выраженный гистерезис – включение происходит при 3,6 Вольт, а выключение - при 3,55 Вольт. При этом в затворе силового ключа формируется управляющий импульс с очень крутыми фронтами, и попадание силового ключа в активный режим – исключено. В реальной схеме, при токе через балансировочный резистор равном 0,365 Ампер, падение напряжения на переходе сток-исток силового ключа составляет всего 5-6 мВ. При этом сам ключ, всегда остаётся холодным. Что, собственно, и требовалось. Эту схему можно легко настроить для контроля любого напряжения (делителем R3,R4). Величина максимального тока балансировки определяется резистором R7 и напряжением на секции аккумулятора.

Коротко про точность. В реально собранном балансире на пять секций для аккумулятора LiFePO4, напряжения при балансировке уложились в диапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустимое напряжение для LiFePO4 составляет 3,75 Вольт). Резисторы при сборке использовались обычные (не прецизионные). На мой взгляд – очень хороший результат. Считаю, что добиваться большей точности при балансировке, никакого особого практического смысла – нет. Но для многих – это скорее вопрос религии, нежели физики. И они вправе, и имеют возможность добиваться большей точности.

Рисунок ниже – плата отдельного балансира, и, для примера, плата балансира на шесть секций. Очевидно, что клонируя плату отдельного балансира, можно легко сделать плату балансира на любое количество секций и любых пропорций. Вот таким зарядно-балансировочным устройством я теперь пользуюсь. Я использую блок питания, описанный в статье про инвертор с адаптивным ограничением тока. Но можно использовать и любой другой стабилизированный блок питания, доработав его шунтом.

Балансир выполнен в виде отдельной платы. Он подключается к балансировочному разъему аккумулятора во время зарядки.

Пара слов про комплектующие. TL431 и p-n-p биполярный транзистор (подойдёт практически любой) в корпусах SOT23, можно найти на материнских платах компьютеров. Там же, можно найти и силовые ключи с "цифровыми" уровнями. Я использовал CHM61A3PAPT (или можно - FDD8447L) в корпусах TO-252A - подходят идеально, хотя характеристики очень избыточны (на токи до 1А, можно найти и что-нибудь по-проще).

В современных устройствах контроля за литиевыми батареями, описанные выше функции возложены на микроконтроллер.Но это гораздо более сложные для повторения устройства, и их применение оправдано далеко не всегда. Думаю - совсем не плохо, когда есть выбор.

Так выглядит балансир "живьём". За качество изготовления, вновь прошу прощения - из-за экономии времени, вновь рисовал плату обычным перманентным фломастером.