Контроллер выполнен в корпусе SOP-8, имет на нижней поверхности металлический теплосьемник не соединенный с контактами, позволяет заряжать аккумулятор током до 1000 мА (зависит от токозадающего резистора). Требует минимум навесных компонентов. По сути TP4056 более навороченная модификация чипа TP4054.
TP4056 автоматически завершает цикл зарядки при достижении напряжения на нем 4.2В и снижении тока заряда до 1/10 от запрограммированной величины. Модуль имеет индикацию процесса заряда. В момент заряда светится красный светодиод, а когда батарея будет полностью заряжена засветится зеленый светодиод, красный при этом погаснет.
Кроме контроллера зарядки ТP4056 на плате добавлены два чипа DW01 (схема защиты) и ML8205A (сдвоенный ключ MOSFET), служат для зашиты аккумулятора от переразряда, перезаряда, перегрузки и короткого замыкания.
Модуль TP4056 идеально подходит для портативных устройств. Если в Ардуино проекте требуется полноценная зарядка Li-ion аккумуляторных батарей с возможностью подсоединения нагрузки и с защитой от сгорания, то эта плата заряда полностью справится с этой задачей.
- 1 Технические характеристики TP4056
- 2 Описание выводов модуля
- 3 Принципиальная схема модуля на TP4056
- 4 Схема подключения TP4056
- 5 Процесс зарядки
- 6 Настройка тока зарядки
- 7 Материалы
- 8 Купить TP4056 на AliExpress
- 9 Похожие записи
Технические характеристики TP4056
- Используемый контроллер: TP4056 и DW01 для зашиты аккумулятора от переразряда и перезаряда;
- Режим зарядки: линейная 1%;
- Ток зарядки: до 1А (настраивается);
- Точность зарядки: 1.5%;
- Входное напряжение: 4.5 — 5.5В;
- Напряжение полного заряда: 4.2В;
- Индикаторы: красный — зарядка, зеленый (в некоторых версиях синий) — заряд окончен;
- Входной разъем: mini USB, MicroUSB или контакты для подпайки проводов;
- Диапазон температур: -10 до +85 град.С;
- Защита от переполюсовки: нет;
- Защита от перезаряда: 4.30±0.050 В;
- Защита от переразряда: 2.40±0.100 В;
- Вес: 5 г;
- Размеры платы: 25 × 17 × 4 mm.
Измерения заряда аккумулятора
Для изучения процесса заряда аккумулятора была реализована следующая измерительная схема:
Полученный с ее помощью график, представлен на следующей картинке. Для удобства синим обозначена зависимость тока, а красным — зависимость напряжения от времени. При этом время указанно в секундах.
6000 секунд соответствуют 100 минутам или же в более привычном виде это 1 час 40 минут. Соответственно полная зарядка аккумулятора заняла около 6 часов. При емкости аккумулятора в 3000 мАч, средний ток заряда можно считать равным 500мА.
На графике отлично видны все три описанные выше фазы зарядки. Схемка отрабатывает все как и положено. Между разными экземплярами модулей присутствует небольшой разброс конечного напряжения, но он не критичен.
Стоит отметить, что любое измерение физической величины это лишь попытка приближения к истинному значению. Не стоит обращать внимание на мелкие зубчики, их природа может быть вызвана как неравномерностью АЦП так и нелинейностью модуля. Что совсем не критично.
В любом случае получившаяся зависимость отлично удовлетворяет всем правилам заряда аккумулятора.
Описание выводов модуля
| Вывод | Описание |
| IN+ | Vcc / Питание |
| IN- | GND / Общий |
| OUT+ | Нагрузка «+» |
| OUT- | Нагрузка «-« |
| BAT+ | К «+» аккумулятора |
| BAT- | К «-» аккумулятора |
Принцип работы платы
Производством контроллеров зарядки занимаются крупнейшие производители электроники: Панасоник, Самсунг, Сони, LG, ATL, HYB, Санио. Они распределяют схемы между другими производителями, которые выдают их за собственный продукт.
Принцип работы микроконтроллера – обеспечить нормальные условия работы аккумулятора, в соответствии с его базовыми техническими характеристиками:
Принцип работы контроллера.
- предельное напряжение – 4,2В (плата защищает от незначительной перезарядки, которая губительно сказывается на общем сроке эксплуатации);
- минимальное напряжение – 2,75В (если уровень заряда аккумуляторной батареи 18650 упадёт ниже 2В, она будет безвозвратно испорчена);
- минимальная температура – не допускается зарядка, использование АКБ при 20°C и ниже (батарея может резко потерять ёмкость, уйти в переразряд, в результате её потребительские свойства существенно ухудшаться);
- предельная температура – запрещена эксплуатация, хранение Li-Ion аккумуляторных батарей при температуре выше +40 (литий-ионный аккумулятор подвержен к воздействию высоких температур, может задымиться, воспламениться, взорваться);
- скорость зарядки — на сроки влияет сила тока, ёмкость аккумулятора. Максимальная ёмкость многоразовой батарейки с маркировкой 18650 – 3600 мАч. То есть зарядкой в 1А восполнить заряд можно за 1 час, 2 А тока – 30 минут, 15 А тока – 4 минуты.
Маркировка литий-ионного аккумулятора 18650 означает его размеры – то есть длина батарейки – 65 мм, диаметр – 18 мм.
Принципиальная схема модуля на TP4056
Схема (без защиты) практически идентична схеме из даташита, за исключением подключения термодатчика аккумулятора. Если понадобилось, можно вывести вход датчика температуры отдельным проводком, напаявшись на лапку и отрезав ее от GND. Или же подняв лапку над платой и напаявшись.
Схема защиты на базе DW01A (из спецификации) выглядит следующим образом:
Ниже приведено типовое включение TP4056, защиты на базе DW01A и мосфетов S-8205A.
Микросхемы контроля заряда литиевых аккумуляторов
Сегодня существуют микросхемы, представляющие собой готовый контроллер заряда литиевых аккумуляторов. Одной из таких микросхем является TP4056 (). Схема контроллера заряда литиевых аккумуляторов на TP4056 выглядит следующим образом:
Однако, если вам вздумалось ее реализовать, то спешу вас огорчить. Потраченные усилия, время и деньги во много много раз превысят стоимость готового модуля, построенного по точно такой же схеме и даже усиленного более мощными транзисторами на выходе.
Схема подключения TP4056
Подключение к зарядке через стандартный разъём microUSB (или miniUSB) или через дублирующие контакты «+» и «—«. Аккумулятор (без встроенной защиты разряда) подключается к контактам «B+» и «B-«. Нагрузка подключается к контактам «OUT+» и «OUT-» (при зарядке батареи нагрузку желательно отключать, если она не рассчитана на напряжение 4.2 В).
Если перепутать полярность питания то микросхема очень сильно греется и умирает, если перепутать полярность аккумулятора то опять TP4056 греется и через некоторое время умирает. Подавать на вход больше 8 вольт тоже не стоит. Оптимальное напряжение питания 5 В, хотя можно подавать примерно от 4.5 до 8 В. Чем больше напряжения питания, тем больше будет греться TP4056 поскольку напряжение преобразовывается линейно.
Как греется модуль
В процессе зарядки, когда ток составляет 1 ампер, модуль прилично греется. Стоит учитывать этот факт при использовании модуля в закрытом устройстве. Так, на открытом воздухе температура модуля достигала значений более 70 градусов (по термопаре).
В случае установки модуля в закрытый корпус желательно снизить максимальный ток заряда до 500-700 мА. Но на терма-клей все же не стоит крепить.
У самого же модуля предусмотрена защита от перегрева. Так при перегреве модуль начинает ограничивать выходной ток. Так что от перегрева он скорее всего не сдохнет. Но не стоит полностью полагаться на защиту))
Процесс зарядки
Процесс зарядки состоит из нескольких этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (постоянно);
- Зарядка током 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) до уровня 2.9 В (если требуется);
- Зарядка максимальным током (1000мА при Rprog = 1.2к);
- При достижении на батарее 4.2 В идет стабилизация напряжения на уровне 4.2В. Ток падает по мере зарядки;
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) зарядное устройство отключается. Переход к п. 1.
Красный светодиод сигнализирует о зарядке, зеленый (в некоторых версиях плат синий) сообщает, что зарядка закончена.
Причины блокировки контроллером li-ion аккумулятора 18650
Главная причина – возникновение короткого замыкания из-за превышения предельно допустимого напряжения тока внутри АКБ. Микросхема разрывает электрическую цепь. Для разблокировки батареи достаточно зарядить ее.
Вторая причина – глубокий разряд аккумулятора. При глубоком некритичном разряде батарейку можно разблокировать с помощью зарядного устройства.
При разряжении до критичного состояния устройство не включится: внутренние химические процессы приводят к образованию металлических литиевых кристаллов, которые создают опасный контакт между положительным и отрицательным полюсами, приводящий к взрыву.
Настройка тока зарядки
Контроллер имеет хороший профиль CC/CV и может быть адаптирован ко многим различным конфигурациям зарядки и типам Li-ion аккумуляторов. Номинальный зарядный ток может быть изменен подбором резистора Rprog (по умолчанию: 1А).
| Резистор (кОм) | Ток заряда (мА) |
| 30 | 50 |
| 20 | 70 |
| 10 | 130 |
| 5 | 250 |
| 4 | 300 |
| 3 | 400 |
| 2 | 580 |
| 1.66 | 690 |
| 1.5 | 780 |
| 1.33 | 900 |
| 1.2 | 1000 |
Измерение характеристик модуля
Мерить мы будем следующее:
- Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
- Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.
Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.
Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.
С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Чтобы максимально снизить погрешность, данные приходящие за 10 секунд усреднялись ( по 200 приходящих значений).
Все пытки проводились с участием аккумулятора Sony VTC6 формата 18650. Этот аккумулятор обладает емкостью 3000 мА*ч. Максимальный выходной ток аккумулятора может достигать 30 А.
Из чего состоит контроллер батареи?
Электросхема очень простая и не требует глубоких познаний в схемотехнике. Хотя производители дорогостоящих смартфонов и пытаются усовершенствовать её, но принцип конструкции остаётся одинаковым для всех.
На печатной плате контроллера батареи в большинстве случаев размещаются:
- • резистор в схеме питания,
- • накопительный конденсатор,
- • непосредственно сам контроллер защиты в виде микросхемы,
- • резистор в схеме защиты,
- • терморезистор,
- • MOSFET-транзисторы.
В ряде случаев контроллер распаян на три контакта вместо двух — тогда помимо традиционных «плюса» и «минуса» производитель применяет так называемый «информационный контакт».
DC/DC-преобразователи для солнечных батарей
Для большинства мобильных устройств с питанием от аккумуляторных батарей зарядное устройство выполняется в виде автономного устройства для бытовой сети переменного тока. То есть в любом случае для формирования входного постоянного напряжения для микросхемы заряда батареи требуется AC/DC-преобразователь. Компания STMicroelectronics предлагает широкий спектр подобных преобразователей, а также проверенную технологию проектирования сетевых адаптеров. Однако сетевые зарядные устройства — хотя и самое распространенное, но не единственно возможное решение. В качестве источника энергии может быть использована солнечная энергия, накапливаемая в солнечных батареях. В номенклатуре компании STMicroelectronics присутствуют микросхемы DC/DC-преобразователей для солнечных батарей, использующих алгоритм MPPT (Maximum Power Point Tracking — слежение за точкой максимальной мощности). Не вдаваясь в специфические детали, отметим, что на сегодня технология MPPT является наиболее передовой и эффективной технологией для контроллеров заряда солнечной батареи. Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечного модуля позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 25…30% по сравнению с контроллерами других типов [6]. В настоящий момент STMicroelectronics выпускает две микросхемы — SPV1020 и SPV1040. Первая работает с цепочкой последовательно соединенных солнечных батарей с выходным напряжением в диапазоне 6,5…40 В. Вторая — как правило, с одной, батареей напряжением до 5,5 В. Компания STMicroelectronics также выпустила демонстрационную плату STEVAL-ISV012V1, включающую в себя MPPT DC/DC-преобразователь SPV1040 и микросхему заряда L6924D. На рисунке 8 показана демонстрационная плата.
Рис. 8. Демонстрационная плата зарядного устройства на солнечной батарее STEVAL-ISV012V1
В материале [7] указывается, что суммарная эффективность подобной связки составляет примерно 85% (для SPV1040 — 94%, для L6924D — 90%).
Режимы работы литиевых АКБ
Есть 2 основных режима использования литиевых АКБ:
- Буферный – например, в современных источниках бесперебойного питания. Батарея в таком случае постоянно подпитывается от электросети, а при перебоях в электроснабжении – отдает накопленный заряд подключенному к ней оборудованию. Когда электроснабжение от сети восстанавливается, АКБ снова подзаряжается и находится в режиме постоянной готовности к дальнейшему использованию.
- Циклический – подразумевает чередование фаз заряд-разряд, когда после пассивной фазы восстановления заряда следует продолжительная фаза активной работы. В таком режиме работают аккумуляторные батареи электровелосипедов и других видов персонального электротранспорта, погрузчиков, поломоечных машин, электромобилей, мотолодок, мобильных кофемашин и другой техники. Срок службы таких АКБ измеряется не годами, а количеством циклов глубокого разряда (до 80%) и последующего заряда.
Литий-ионные батареи успешно используются и в буферном, и в циклическом режиме. Если эксплуатация АКБ подразумевает жесткие условия и частые глубокие разряды, лучше всего с такими задачами справляются литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4). В частности, они используются для питания лодочных электромоторов, складской и клининговой техники, е-байков и других видов электротранспорта.
