Elektronika     Ładowarka 1A do pakietów Li-Ion 5S        

Potrzeba posiadania takiej ładowarki pojawiła się po tym, jak zbudowałem własny akumulator 12V
zawierający pakiet trzech, połączonych szeregowo (3S) ogniw Li-Ion 3.7V/10Ah. Są one połączone
na stałe ze sobą oraz z płytką układu BMS i umieszczone w obudowie po standardowym akumula-
torze 12V/7.2Ah (AGM). Ponieważ nie mogę odłączać poszczególnych ogniw i ładować ich osobno,
konieczne było zbudowanie ładowarki wielokanałowej do takich pakietów.

1. Moduł ładujący TP4056
2. Konstrukcja ładowarki
3. Podsumowanie

1. Moduł ładujący TP4056

Najprostszym nasuwającym się rozwiązaniem było użycie popularnych i tanich modułów ładujących
Li-Ion, opartych o układ TP4056 (lub TC4056) wraz z dołączonym zabezpieczeniem przed rozłado-
waniem/przeładowaniem ogniwa (układ DW01A + podwójny tranzystor N-MOSFET 8205A).
Działanie modułu jest sygnalizowane przez dwie diody LED - niebieską/zieloną BLUE i czerwoną RED:
BLUE=ON + RED=ON 4x/s (miga) - ogniwo nie podłączone, BLUE=OFF + RED=ON - ładowanie trwa,
BLUE=ON + RED=OFF - ładowanie zakończone.

Układ TP4056 jest liniową ładowarką zasilaną napięciem Vcc = 4-8V, która bardzo dokładnie zacho-
wuje wszystkie fazy procesu ładowania CC/CV (Constant Current/Constant Voltage). W zależności od
egzemplarza układu, napięcie końcowe ładowania może wynosić 4.14-4.24V (najlepiej wybrać moduły
4.15-4.17V, aby wydłużyć żywotność ogniwa), a domyślnie ustawiony prąd ładujący wynosi ok. Ibat =
0.9A - zmienia się go rezystorem R3 w zakresie 50-1000mA.
Co ciekawe, możliwe jest ustawienie większego prądu ładującego, np. powyżej 2A. Wtedy konieczne
jest użycie odpowiednio wydajnego chłodzenia, aby zabezpieczenie termiczne (ok. 145 stopni C) nie
ograniczało tego prądu w celu ochrony układu przed uszkodzeniem.

Poza tym układ umożliwia ładowanie głęboko rozładowanych ogniw (w tym o napięciu 0V) oraz jest
całkowicie odporny na zwarcie wyjścia ładującego do masy (wtedy płynie prąd o wartości 0.1*Ibat -
można go zmierzyć, włączając amperomierz między wyjście i masę). Natomiast w ogóle nie jest od-
porny na odwrotne podłączenie biegunów ładowanego ogniwa (uszkadza się od razu, obwód zabez-
pieczający również). Układ posiada też ograniczenie prądu rozruchowego (soft-start), zabezpieczenie
UVLO (Under Voltage Lock-Out) przed zbyt niskim napięciem zasilania oraz funkcję automatycznego
doładowywania ogniwa po zakończonym ładowaniu, jeśli jego napięcie spadnie poniżej ok. 4.05V.

Moc tracona w układzie TP4056 (podobnie jak w stabilizatorach liniowych), zależy od jego napięcia
zasilania Vcc oraz wyjściowego napięcia Vbat i prądu Ibat ładującego ogniwo, które zmieniają się
w różnych fazach procesu ładowania (ich wartości można odczytać z wykresu umieszczonego w nocie
katalogowej). Gdy napięcie ogniwa Vbat wynosi poniżej 3V, prąd ładujący ma najniższą wartość Ibat =
0.1*Ibat. Gdy napięcie ogniwa Vbat osiągnie wartość 3V, prąd ładujący gwałtownie rośnie do wartości
Ibat = 0.866*Ibat i wtedy w układzie jest tracona najwyższa moc, którą można obliczyć ze wzoru:
Pd = (Vcc-Vbat)*Ibat. Przyjmując napięcie Vcc = 5V i ustawiony prąd Ibat = 1A, tracona wtedy moc to:
Pd = (5-3)*(0.866*1) = 2*0.866 = 1.73W. Gdy napięcie ogniwa Vbat wynosi 3.53-4.11V, prąd ładujący
ma najwyższą wartość Ibat = 1*Ibat, ale wtedy różnica napięć Vcc i Vbat jest już mniejsza, a przez to
tracona moc również spada i wynosi maksymalnie: Pd = (5-3.53)*(1*1) = 1.47*1 = 1.47W.
Gdy napięcie ogniwa Vbat wynosi powyżej 4.11V, prąd ładujący zaczyna stopniowo spadać z wartości
1*Ibat do 0.1*Ibat. Równocześnie napięcie ogniwa Vbat stopniowo rośnie aż do osiągnięcia napięcia
końcowego (4.2V). Ładowanie zostaje zakończone, gdy wartość prądu ładującego spadnie poniżej
wartości 0.1*Ibat. Wszystkie wartości są przybliżone i mogą wahać się w zakresie podanym w nocie
katalogowej.

Poniżej znajduje się schemat modułu TP4056 z zabezpieczeniem (DW01A + 8205A).



Ogniwo jest zabezpieczone, jeśli zostanie podłączone do modułu między pin "B-" oraz piny "OUT+"/
"B+" (są ze sobą połączone). Ewentualne obciążenie ogniwa, podłącza się do pinów "OUT-" i "OUT+"/
"B+". W takim przypadku, jeśli napięcie ogniwa spadnie poniżej ok. 2.4V (ODIS - Over DIScharge),
wzrośnie powyżej ok. 4.3V (OCHA - Over CHArge) lub pobierany z niego prąd będzie wyższy niż ok.
3A (OCUR - Over CURrent), to jeden z tranzystorów N-MOSFET przestanie przewodzić i masa ogniwa
"B-" zostanie odłączona od masy obciążenia "OUT-". Po włączeniu się zabezpieczenia przed nadmier-
nym rozładowaniem (ODIS), ogniwo zostanie automatycznie podłączone ponownie, jeśli jego napięcie
wzrośnie do ok. 3V. Rozładowane ogniwo o napięciu poniżej 2.4V (w tym 0V) nadal może być ładowa-
ne - podłączenie ładowarki jest wykrywane przez układ DW01A, który umożliwia takie działanie.
Po włączeniu się zabezpieczenia przed przeładowaniem (OCHA), ogniwo zostanie automatycznie pod-
łączone ponownie, jeśli jego napięcie spadnie do ok. 4.1V. Po włączeniu się zabezpieczenia nadprąd-
owego (OCUR), ogniwo zostanie podłączone ponownie dopiero po ręcznym odłączeniu obciążenia lub
gdy impedancja między pinami "OUT-" i "OUT+"/"B+", będzie wyższa niż ok. 500k.

Co ciekawe, wartość pobieranego z ogniwa prądu jest mierzona przez układ DW01A, jako spadek
napięcia na rezystancji (Rds) dwóch przewodzących tranzystorów N-MOSFET. Ponieważ zarówno
ta rezystancja (20-30 miliomów na każdy tranzystor), jak i napięcie włączenia się zabezpieczenia
w układzie DW01A (0.12-0.18V) mogą wahać się w pewnym zakresie, to wartość prądu przy którym
zadziała zabezpieczenie nadprądowe też może być różna (2-4.5A).

Dodatkowo w jednej z wersji noty katalogowej układu DW01 jest wzmianka, że po pierwszym podłą-
czeniu do ogniwa może on nie załączyć tranzystorów N-MOSFET, przez co nie zostanie ono podłą-
czone do obciążenia. Rozwiązaniem jest zwarcie pinów CS i GND układu lub podłączenie ładowarki.
W przypadku mojego urządzenia nie ma to żadnego znaczenia, bo moduły TP4056 służą tylko do
ładowania ogniw.

Należy uważać na gorsze jakościowo podróbki modułów ładujących TP4056, które mogą być bardzo
groźne w działaniu. Użytkownicy takich modułów zgłaszali następujące problemy: przeładowywanie/
niedoładowywanie ogniw; bardzo długie ładowanie; zacinanie się procesu ładowania w różnych jego
fazach (np. czerwona dioda nie chce zgasnąć), wymagające wyłączenia i ponownego włączenia zasi-
lania modułu; nieładowanie głęboko rozładowanych ogniw; zwarte wejście VCC z wyjściem BAT
w układzie TP4056 (czerwona dioda ciągle świeci, na wyjściu pojawia się napięcie wejściowe lub
na wejściu pojawia się napięcie ogniwa podłączonego do wyjścia). Dużo bardziej stabilne wydają się
być moduły bez obwodu zabezpieczającego (DW01A + 8205A).

Na początku gdy pojawiły się te moduły, wszystkie miały oryginalne układy TP4056 firmy Top Power.
Niestety z biegiem czasu pojawiły się ich klony i aktualnie większość modułów to podróbki. Nie wszy-
stkie są tak groźne, czy dużo gorsze od oryginału, ale trzeba pamiętać o dokładnym sprawdzeniu ich
działania, bo mogą być też mniej stabilne. W moim urządzeniu oczywiście użyłem podrobionych mo-
dułów - na razie nie zauważyłem żadnych problemów.

Poniższa tabela zawiera opis trzech głównych różnic w wyglądzie oryginału i podróbki,
na przykładzie modułu TP4056 ze złączem micro-USB.

PODRÓBKAORYGINAŁ
Podróbka (górna warstwa PCB) ma mniejsze kondensatory C1, C2 i C3 (MLCC) oraz
posiada nadrukowane opisy "LED1"/"LED2" diod świecących (w oryginale ich brak).
Podróbka (dolna warstwa PCB) ma małe pole miedzi do odprowadzania ciepła z układu TP4056
(w oryginale zajmuje całą płytkę).
Podróbka (bok PCB) ma cieńszą płytkę drukowaną o grubości ok. 1mm
(w oryginale jest to ok. 1.7mm)

2. Konstrukcja ładowarki

Można by pomyśleć, że wystarczy podłączyć kilka modułów TP4056 do każdego ogniwa w pakiecie
i zasilać je z jednego źródła napięcia 5V, o odpowiednio dużej wydajności prądowej. Niestety, przy
takim połączeniu poszczególne ogniwa są zwierane przez wspólną masę modułów. Jedynym rozwią-
zaniem jest użycie odseparowanych zasilaczy 5V (sieciowych lub przetwornic DC-DC) do każdego
modułu osobno. Dopiero wtedy takie moduły można podłączać do szeregowo połączonych ogniw.

Spośród kilkunastu modułów wybrałem pięć o końcowym napięciu ładowania 4.15-4.16V (do jego
ustalenia wykorzystałem zużyte ogniwo 18650, które szybko się rozładowywało i równie szybko
ładowało). Następnie w każdym wymieniłem rezystor R3 na wartość 1k, co zwiększa prąd ładujący
do ok. 1.1A. Wylutowałem też diody LED SMD, a w ich miejsce wlutowałem żeńskie złącze goldpin
4x1 pinów - podczas testów można do niego wkładać przewlekane diody LED, a docelowo służy do
łatwego połączenia modułu z diodami LED na osobnej płytce, przymocowanej do obudowy urządze-
nia. Ostatnią modyfikacją było zeszlifowanie soldermaski z dolnej strony płytki modułu pod układem
TP4056 i przylutowanie tam niewielkiego miedzianego radiatora, który znacznie poprawi odprowa-
dzanie ciepła ze struktury układu.

       

Do zasilania modułów użyłem 5 sztuk standardowych zasilaczy sieciowych 5V (ładowarek USB),
o maksymalnej wydajności prądowej 2.4A. Konkretnie były to Amazon Basics AC2643B AC 100-
240V/0.35A DC 5V/2.4A (12W), które kupiłem na Allegro po 4.50 zł. za sztukę (rok produkcji 2017-
2018, pakowane po 2 sztuki w oryginalnych kartonowych pudełkach, nie jest to byle jaka chińszczy-
zna). Aby zmniejszyć rozmiary mojego urządzenia z zasilaczy 5V wyjąłem same płytki, które połączy-
łem na sztywno krótkimi miedzianymi drutami z modułami ładującymi TP4056. Następnie takie hybr-
ydy przylutowałem krótkimi kabelkami AWG18 do specjalnie zrobionej płytki głównej, o wymiarach
220x120mm (trzymają się sztywno nad nią).

       

       

Moduły są połączone w ten sposób, że każde ładowane ogniwo jest zabezpieczone. Gdyby na który-
mś ogniwie wystąpiło napięcie powyżej ok. 4.3V (np. po awarii układu TP4056), to zostanie ono odłą-
czone od masy modułu ładującego. Poniżej znajduje się schemat połączenia modułów TP4056 z pa-
kietem ogniw 5S oraz rozmieszczenie sygnałów w gnieździe wyjściowym ATX 6-pin ładowarki.



Płytkę wykonałem bez trawienia, używając mini wiertarki z małymi frezami. Była projektowana przez
przykładanie elementów do górnej warstwy laminatu (zachowując odpowiednie ich rozmieszczenie),
zaznaczanie położenia ich wyprowadzeń i wiercenie w tych miejscach otworów. Następnie na dolnej
warstwie miedzi były zaznaczane ścieżki, które zostały wyfrezowane, przeszlifowane drobnym papie-
rem ściernym, pokryte płynną kalafonią i pocynowane.

Płytka zawiera bezpiecznik sieciowy 250V/3.15A oraz kondensator filtrujący 470nF/300V. Początkowo
przewidziałem też miejsce dla gniazda ATX 6-pin, ale później postanowiłem je umieścić na przedniej
ściance obudowy. Ponieważ na płytce występuje napięcie sieciowe 230V, konieczne było zachowanie
odpowiednio dużych odstępów między ścieżkami oraz wszystkimi metalowymi elementami obudowy
(trzeba również brać pod uwagę, że któryś kabelek sieciowy oderwie się). Dla nielakierowanych ście-
żek miedzianych, minimalny odstęp według normy powinien wynosić 7mm (pomiędzy odsłoniętymi
ścieżkami może gromadzić się wilgoć/kurz/brud doprowadzając do zwarć). W rogach płytka ma otwory
montażowe na śruby M3, którymi jest przykręcona do dna obudowy na plastikowych dystansach 5mm
(dzięki temu nie dotyka go).

Płytka główna jest połączona z gniazdem (typu "ósemka") i wyłącznikiem sieciowym (jedna sekcja),
płytką z 10 diodami LED sygnalizującymi działanie każdego modułu ładującego oraz płytką z dwoma
gniazdami ATX 6-pin (oba zawierają te same sygnały, to po lewej służy do monitorowania napięcia
ładowania w każdym kanale, co pozwala ustalić przybliżony czas zakończenia ładowania i ułatwia
wykrycie ewentualnej awarii układu TP4056). Gniazda wyjściowe połączyłem z płytką grubszymi kab-
lami miedzianymi. Wentylator chłodzący 12V/0.3A (92x92x25mm, ze starego zasilacza komputerowego)
jest zasilany bezpośrednio z wyjścia zasilacza 5V (pobiera ok. 0.11A), który jednocześnie zasila moduł
ładujący w ostatnim kanale. Wszystkie połączenia są możliwie najkrótsze, aby minimalizować straty
w przesyle prądu.

       

Ładowarkę umieściłem w obudowie o wymiarach (długość x szerokość / wysokość) 247x150/117mm,
wykonanej ze starych paneli podłogowych o grubości 8mm, połączonych samymi kołkami (bambusowe
patyczki do szaszłyków o średnicy 2.8mm) bez użycia kleju/wkrętów. Na górnej ściance obudowy jako
jedynej przykręconej 4 wkrętami, znajduje się otwór o średnicy 91mm dla wentylatora, który wciąga
powietrze do środka i wydmuchuje je na grzejące się elementy. Otwór jest zabezpieczony od wewnątrz
standardową osłoną wentylatora (grill) ze stali chromowanej. Na lewej i prawej ściance są otwory
wentylacyjne o średnicy 67mm, zabezpieczone od wewnątrz drobną siatką stalową (ze starej kolumny
głośnikowej). Otwory zrobiłem zwykłymi otwornicami do drewna.

       

       

       

       

Ładowarkę łączy się z pakietem ogniw 1-5S za pomocą kabla ATX 6-pin. Takie wtyczki i gniazda są
powszechnie używane do zasilania komputerowych płyt głównych i kart graficznych. Można je też
wyciąć z szerszych wtyczek/gniazd ATX 20-pin (np. ze starego zasilacza komputerowego lub płyty
głównej).

Do ładowarki przygotowałem również płytkę, która umożliwia ładowanie 1-5 ogniw 18650 jedno-
cześnie. Posiada pięć koszyków na ogniwa 18650, gniazdo ATX 6-pin do łączenia z ładowarką,
a w rogach cztery mosiężne nóżki.

       

3. Podsumowanie

Ładowarka działa dobrze i spełnia swoje zadanie, choć ma kilka wad/niedogodności:

1. Mały prąd ładujący 1A - ładowanie pakietu o pojemności 10Ah trwa dość długo. Aby zwiększyć
prąd ładujący do 2A można by zamiast modułów TP4056, użyć równie tanich i łatwo dostępnych
modułów z układem IP2312. Jest to ładowarka impulsowa zasilana napięciem 4.5-5.5V z wybiera-
nym za pomocą rezystora napięciem końcowym 4.2/4.3/4.35/4.4V i prądem ładującym 1/1.5/2.1/3A.
Użyte zasilacze sieciowe 5V/2.4A powinny sobie poradzić przy prądzie ładującym 2.1A, choć lepiej
byłoby użyć nieco wydajniejszych, aby nie pracowały na granicy swoich możliwości.

2. Spadki napięcia na rezystancji przewodów połączeniowych. Podczas ładowania przy płynącym
prądzie ładującym 1.05A, między napięciem mierzonym na drugim gnieździe ładowarki (np. 3.66V),
a napięciem mierzonym bezpośrednio na ładowanym ogniwie w koszyku (np. 3.60V), występuje
różnica/spadek 60mV. Jednak wraz ze wzrostem napięcia na ogniwie, prąd ładujący zmniejsza się
przez co ta różnica/spadek też maleje i na koniec procesu ładowania wynosi już tylko 10mV. A więc
moduł o końcowym napięciu ładowania 4.16V, na tych dłuższych kablach połączeniowych (liczy się
ich rezystancja, nie długość) ładuje ogniwo do napięcia 4.15V (prawie tyle samo, co przy bezpośre-
dnim podłączeniu ogniwa do modułu).

3. Konieczność używania woltomierza, aby sprawdzać aktualne napięcie na ładowanych ogniwach.
Można by użyć małych i tanich modułów woltomierzy 0-100V z 3-cyfrowym wyświetlaczem LED, które
byłyby zasilane bezpośrednio z wyjść zasilaczy 5V. Należy jednak wiedzieć, że niektóre mogą mieć
dość niską rezystancję wejściową (np. 35k), która będzie cały czas podłączona do ładowanego ogni-
wa. Nie dodałem takich woltomierzy, aby nie komplikować budowy całego urządzenia, ale jest to
ciekawe i przydatne rozwiązanie.