Li ion аккумулятор светодиод

Светодиодный светильник на Li-ion аккумуляторах

Источником энергии для светильника были выбраны Li-ion аккумуляторы с высокой удельной энергоемкостью.

Затем были проанализированы статьи в журнале “Радио” о светодиодном освещении — от описаний простейших конструкций [1], где светодиоды подключены к аккумулятору через токоограничивающие резисторы, до более сложных [2] и [3], собранных на недорогой микросхеме МС34063, и, наконец, [4—6], где применены дорогие специализированные микросхемы.

Как ни странно, я не смог выбрать подходящую схему светильника ни в одной из этих статей. Например, тот, доработка которого описана в [1], имеет низкий КПД, а яркость его свечения постоянно спадает по мере разрядки аккумулятора. Преобразователь напряжения в карманном фонаре, описанном в [2], имеет выходную мощность всего около 0,5 Вт. К тому же микросхема

МС34063 при таком низком для неё напряжении питания (3 В) имеет невысокий КПД. Устройства из [3], [4] и [6] работают от двух Li-ion аккумуляторов, соединённых последовательно. Это усложняет алгоритм зарядки и контроль разрядки каждого аккумулятора. Выходная мощность преобразователей напряжения в [3] и [4] тоже невелика (0,6 Вт и 2 Вт соответственно). Больше всего соответствовал моим требованиям светодиодный фонарь, описанный в [5].

Но выходная мощность его преобразователя — всего 1,5 Вт, а собран он на двух недешёвых специализированных микросхемах. Во всех рассмотренных устройствах, кроме [1], применены импульсные преобразователи напряжения. Однако присущий им высокий КПД удалось реализовать только в [5]. Заявленный в [4] КПД 93 % относится лишь к микросхеме преобразователя, а суммарный КПД всего устройства приблизительно на 10% меньше за счёт потерь в ограничивающих ток резисторах.

В конце концов, простое, доступное для повторения и надёжное устройство питания светодиодов от Li-ion аккумуляторов мне удалось собрать на основе линейного стабилизатора напряжения. Оно имеет мощность 4 Вт (выходной ток — 1,3 А) и средний КПД — 87%. Зависимость КПД от входного напряжения представлена на рис. 1.

Схема светильника приведена на рис. 2. За основу взята схема из [7]. После доработки она стала проще, повышены выходной ток и коэффициент стабилизации. При подаче питания транзистор VT1, открывшийся током через резистор R1, открывает транзистор VT2. Начинает заряжаться конденсатор С3, поэтому напряжение на резисторе R5 и на управляющем входе параллельного стабилизатора напряжения DA1 растёт.

Как только оно достигает 2,5 В, участок анод—катод микросхемы DA1 открывается и, уменьшая ток базы транзистора VT1, ограничивает рост напряжения на конденсаторе С3, стабилизируя его на уровне 3,1…3,2 В. Это обеспечивает рабочий ток через светодиоды ELI— EL6 1,2… 1,3 А.

Диоды VD1—VD3 поддерживают напряжение на катоде микросхемы DA1 на уровне 2,7…3,1В во всём интервале изменения входного напряжения 2,8…4,3 В. Конденсаторы С2 и С3 предотвращают самовозбуждение. Предохранитель FU1 защищает устройство от замыкания на выходе.

Аккумуляторная батарея GB1 состоит из шести соединённых параллельно Li-ion аккумуляторов типоразмера 18650, проработавших до этого более пяти лет в ноутбуке. Их суммарная ёмкость оказалась равной 12 Ач вместо первоначальных 13,2 Ач, а внутреннее сопротивление возросло до 0,2 Ом на один аккумулятор.

Длительность непрерывного свечения фонаря от полностью заряженной батареи получилась равной десяти часам, из них 8,5 ч при полной яркости (напряжение батареи уменьшается от 4,2 до 3,3 В) и 1,5 ч при плавно снижающейся яркости (напряжение уменьшается от 3,3 до 2,8 В, ток светодиодов падает с 1,3 до 0,3 А).

В критических ситуациях допустима и более глубокая разрядка батареи, причём яркость свечения при токе светодиодов 0,1…0,2 А, и даже меньше, остаётся вполне достаточной для ориентирования в темноте. В качестве EL1—EL6 применены белые светодиоды мощностью 1 Вт (максимальный ток — 350 мА), установленные на общем теплоотводе — алюминиевой пластине размерами 120x70x3 мм, закреплённой снаружи пластмассового корпуса светильника.

Были опробованы светодиоды фирмы Nichia (рис. 3) и светодиоды неизвестного изготовителя (рис. 4), аналогичные по конструкции и параметрам отечественным светодиодам SVL01P1 [8]. Первые поставляют уже установленными на индивидуальные алюминиевые подложки-теплоотводы. Для вторых подложки нужно приобретать отдельно и паять на них светодиоды вручную.

Процесс пайки очень прост, желательно только наносить теплопроводящую пасту между светодиодом и подложкой. Светодиоды обоих типов широко представлены в интернет-магазинах. Конечно, можно применить и другие светодиоды, но желательно, чтобы их конструкция предусматривала крепление к теплоотводу, а прямое падение напряжения при токе 0,2А не превышало 3,2…3,3В.

Возникает вопрос, почему использовано параллельное соединение светодиодов без выравнивающих ток резисторов? Такое решение было принято на основе анализа усреднённой вольтамперной характеристики (ВАХ) применённых светодиодов, приведённой на рис. 5 (голубая кривая).

Она показывает, что при различии падения напряжения на двух разных светодиодах при одинаковом токе 0,22 А — не более 0,08 В (например, 3,11 В и 3,19 В), разность их токов не будет превышать 0,04 А (9 %), если подать напряжение 3,15 В, соединив светодиоды параллельно.

При разнице 0,1 В (3,10 В и 3,20 В) разность токов будет 0,05 А (11 %), при разнице 0,12 В — 0,06 А (13 %). Так как средний ток одного светодиода (0,22 А) выбран значительно меньше максимально допустимого (0,35 А), а светодиоды установлены на общем теплоотводе, можно считать, что тепловые и токовые нагрузки на каждый светодиод будут значительно меньше максимально допустимых.

Из десяти светодиодов, изображённых на рис. 3, шесть уложились в интервал 3,14…3,19 В и четыре — в 3,26…3,30 В. А из 20 светодиодов, изображённых на рис. 4. случайным образом взятых из двух различных партий, приобретённых с интервалом в два года, у 19 штук прямое напряжение при токе 0,22А находилось в пределах 3,9…3,16 В, а у одного было равным 3,23 В. Таким образом, в обоих случаях подобрать светодиоды с разницей прямого напряжения менее 0,1В не представляет труда.

Для сравнения на рис. 5 (красная кривая) приведена ВАХ четырёх соединённых последовательно кремниевых диодов (эмиттерных переходов транзисторов КТ815Г). Она заметно более крутая, чем ВАХ светодиодов. Это значит, что при параллельном соединении кремниевых диодов разброс текущих через них токов получится значительно больше.

Чтобы уменьшить зависимость тока светодиодов от температуры, предусмотрен диод VD4. Он закреплён на общем со светодиодами теплоотводе. При повышении температуры его дифференциальное сопротивление понижается, и за счёт обратной связи ток, текущий через светодиоды, уменьшается. При повышении температуры светодиодов от 20 °С до 50 °С ток через них изменяется от 1,21А до 1,29А, это меньше 7 %. В отсутствие диода VD4 это изменение было бы около 20 %, а при уменьшенной площади теплоотвода — ещё больше.

Измерения проводились при напряжении батареи GB1 3,6 В. Измерялся потребляемый от неё ток, из которого вычитался ток базы транзистора VT2 (13 мА) и ток катода стабилизатора DA1 (2 мА). Для подборки светодиодов по прямому напряжению необходим стабилизированный источник напряжения, регулируемого от 15 до 20 В, с максимальным выходным током не менее 0,3А. Закрепите шесть светодиодов на общем теплоотводе.

Установите на выходе источника напряжение 15 В и подключите к нему светодиоды по схеме, показанной на рис. 6. Плавно увеличивая напряжение, добейтесь, чтобы вольтметр PV1 показал 2,2 В, что соответствует току через светодиоды 0,22 А.

Подождите 30…40 с стабилизации теплового режима светодиодов. Затем цифровым вольтметром измерьте напряжение на каждом светодиоде и отберите экземпляры с разбросом, не превышающим 0,1 В. Снимите светодиоды с теплоотвода, закрепите новые и повторите всё сначала.

Налаживание светильника сводится к установке напряжения на светодиодах и тока через них. Вместо батареи GB1 временно подключите регулируемый источник напряжения, которое установите равным 3,6 В. Не подключая светодиоды EL1—EL6, добейтесь подборкой резисторов R3 и R4 напряжения на конденсаторе СЗ 2,8…2,9 В. Последовательно в цепь питания устройства включите амперметр на 2…3 А.

Подключите светодиоды ELI—EL6 согласно схеме и замкните выключатель
SA1. Амперметр должен показать 0,2…0,5 А. Вновь подбирая резисторы R3 и R4, добейтесь установившихся после двух-трёх минут прогрева светодиодов показаний амперметра около 1,3 А (напомню, диод VD4 должен быть закреплён на общем со светодиодами теплоотводе). Сопротивление резистора R3 не должно быть менее 1,2 кОм, иначе ухудшится термостабилизация тока светодиодов.

Индикатор разрядки аккумуляторной батареи в описываемом светильнике — уменьшение в два-три раза яркости свечения светодиодов. Но даже при такой грубой индикации допустить переразрядку батареи сложно, поскольку ток через светодиоды и яркость их свечения при уменьшении её напряжения ниже 2,8…2,9В резко снижаются.

Чтобы использовать светильник для дежурного экономного освещения, в него необходимо ввести выключатель, который подключал бы параллельно резистору R3 дополнительный резистор, сопротивление которого подобрано таким, чтобы ток через светодиоды уменьшался в 10… 15 раз.

Это во столько же раз увеличит максимальную продолжительность свечения. Разъём XS1 предназначен для зарядки батареи. Ее можно выполнять от регулируемого источника напряжения, оснащённого регулируемым ограничителем тока. На выходе источника установите напряжение 4,2В при пороге ограничения тока 1…3А и подключите его к разъёму XS1 в соответствующей полярности. Выключатель SA1 во время зарядки должен быть разомкнут.

Зарядку можно считать завершённой, когда показания встроенного в источник амперметра уменьшатся в 20…30 раз относительно начального значения. Второй способ зарядки — от специализированного зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов с током зарядки 1…3 А. Ограничение в 3А необходимо во избежание перегрева аккумуляторов с повышенным внутренним сопротивлением, применённых в устройстве.

При использовании новых аккумуляторов ток зарядки можно увеличить до 4…5 А. Необходимо только, чтобы контакты разъёма XS1 выдержали такой ток. Светодиодный светильник имеет размеры 160x80x30 мм. Он собран в приобретённом в интернет-магазине корпусе для внешнего резервного аккумулятора (power bank), рассчитанного на шесть аккумуляторов типоразмера 18650. Из корпуса я удалил все контакты и поместил в него шесть аккумуляторов, соединив их пайкой (в качестве флюса использовал растолчённую в порошок таблетку аспирина).

Плата с микросхемой была также удалена, а на её место установлен фрагмент макетной платы размерами 68×30 мм с элементами стабилизатора напряжения. Печатная плата не разрабатывалась для экономии места по высоте. Отверстия в корпусе, предназначавшиеся для двух USB-разъемов, были подпилены и в них вставлены разъём XS1 и выключатель SA1.

Транзистор КТ818Б установлен сбоку от платы на алюминиевой пластине размерами 15×20 мм. Этот транзистор должен при токе коллектора 1 А иметь статический коэффициент передачи тока около 100. При уменьшении его до 50 КПД устройства уменьшится на 1 % при напряжении батареи более 3,5 В и на 2…3 % при напряжении менее 3,4 В.

Вместо транзистора КТ818Б можно применить КТ837К или КТ837Ф. Заменой транзистора КТ3117А1 могут служить КТ503Б, КТ503Г, КТ645А, КТ645Б, КТ815А-КТ815Г. В качестве VD1—VD3 желательно использовать диоды с максимальным прямым током 0,1…0,2 A (1N4148, КД522Б, КД510А). Более мощные диоды применять не следует, поскольку при малом токе у них меньше прямое падение напряжения, что может сделать недостаточным напряжение на катоде микросхемы DA1.

В качестве VD4 для надёжности лучше не использовать диоды в стеклянном корпусе. Разъём XS1 — РГ1Н-1 -1, плавкая вставка FU1 — ВП1-1. конденсатор С2 — керамический. Внешний вид светильника показан на рис. 7, где светодиоды закрыты защитной крышкой, а со снятой крышкой — на рис. 8.

Расположение элементов внутри корпуса видно на рис. 9. При температуре окружающей среды +25 °С и непрерывной работе устройства в течение двух часов температура самого горячего светодиода достигла +52 °С (была измерена температура выводов светодиода максимально близко к его кристаллу).

По рассмотренной схеме я собрал четыре светильника с числом аккумуляторов от двух до шести и числом светодиодов от трёх до шести. Три из них безотказно работают уже более трёх лет, а одно собрано недавно. Исключив из устройства диод VD1, его можно применять в качестве стабилизатора напряжения с малым минимальным падением напряжения (около 0,2В при токе 1,3А) и очень большим коэффициентом стабилизации.

При токе нагрузки более 2А в качестве VT2 лучше использовать транзисторы КТ8102А или КТ9120А, а в качестве VT1 — КТ815А—КТ815Г. При входном напряжении более 5…6В сопротивление резистора R1 необходимо увеличить до 1 кОм, а более 10…12 В — до 3 кОм.

Источник

Модернизация светодиодного фонаря
Как заменить свинцовый аккумулятор литий-ионным

В статье «Ремонт и модернизация светодиодных фонарей» подробно рассмотрен вопрос ремонта и доработки электрических схем китайских светодиодных фонарей, замены вышедшего из строя кислотного аккумулятора аналогом.

Но есть еще один вариант замены аккумулятора при ремонте фонаря – замена его литий-ионным аккумулятором от неисправных электронных устройств. Например, сотового телефона, фотоаппарата, ноутбука или шуруповерта. Подойдут также аккумуляторы, которые уже не обеспечивают необходимую продолжительность работы устройства, но еще работоспособны.

Первый литий-ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году японской корпорацией Sony. Номинальное напряжение одного элемента аккумулятора составляет 3,7 В. Минимально-допустимое – 2,75 В. Напряжение заряда не должно превышать 4,2 В при токе заряда от 0,1 до 1 емкости аккумулятора (С). Литий-ионные аккумуляторы практически не обладают эффектом памяти и имеют малый ток саморазряда, при комнатной температуре не более 20% за год. На текущий момент по техническим характеристикам являются самыми лучшими.

Ранее мне пришлось ремонтировать и модернизировать LED фонарь, в котором перегорели все светодиоды. После ремонта через несколько лет работы он перестал светить по причине выхода из строя свинцового аккумулятора. Как видно на фотографии корпус его вздулся.

Так фонарь и пылился на полке, пока не вышел из строя литий-ионный аккумулятор от фотоаппарата. Анализ показал, что в аккумуляторе отказал контроллер балансировки и заряда. Два элемента аккумулятора были в хорошем техническом состоянии, которые я и решил установить в фонарь вместо кислотного аккумулятора.

Штатное зарядное устройство фонаря для зарядки литий-ионного аккумулятора не подходило, так как оно обеспечивало постоянство тока заряда с неконтролируемым напряжением. А для литий-ионного аккумулятора при зарядке необходимо обеспечить ток зарядки величиной 0,1-1С при напряжении, не превышающем 4,2 В на один элемент.

Выбор контроллера
для зарядки литий-ионного аккумулятора

Можно изготовить контроллер самостоятельно, но в продаже, например, на Алиэкспресс, продаются готовые по цене 0,2-0,3 цента, собранные на микросхеме TP4056 или ее аналогах (ACE4054, BL4054, CX9058, CYT5026, EC49016, MCP73831, LTC4054, LC6000, LP4054, LN5060, TP4054, SGM4054, U4054, WPM4054, IT4504, PT6102, PT6181, Y1880, VS6102, HX6001, Q7051).

На Алиэкспресс был куплен самый простой модуль контроллера, технические характеристики которого полностью удовлетворяют требованиям для зарядки литий-ионного аккумулятора, установленного в фонаре. Его внешний вид представлен на фотографии.

Контроллер собран по приведенной выше электрической схеме. Изменяя номинал резистора, идущего со второго вывода микросхемы на общий провод можно ограничить максимальный ток зарядки.

Зависимость максимального тока зарядки от величины R контроллера TP4056
Номинал резистора, кОм	30	20	10	5	4	3	2	1,66	1,5	1,33	1,2
Ток зарядки, мА	50	70	130	250	300	400	580	690	780	900	1000

Выбор величины тока зарядки Li-ion аккумулятора определяется исходя из двух ограничений. Величина тока должна находиться в пределах 0,1-1 от емкости аккумулятора (принято обозначать буквой С). Например, для аккумулятора емкостью 600 мА×час ток не должен превышать 0,6 А. Следовательно, нужно, чтобы номинал токозадающего резистора составил 2 кОм (на резисторе должна стоять маркировка 202). И не превышать величины тока, который способно обеспечить зарядное устройство. Для данного случая ток должен быть более 0,6 А. Ток всегда указывается на этикетке ЗУ.

Технические характеристики контроллера TP4056
Наименование	Значение	Примечание
Входное напряжение, В	4,5-8,0	Более 5,5 В не рекомендуется
Выходное напряжение, В	4,2
Максимальный ток заряда, А	1,0	Можно изменять величиной R с вывода 2
Минимальный ток заряда, А	0,03	При меньшем токе уйдет в сон
Автоотключение	есть	При токе зарядки

Задать вопрос автору статьи, оставить комментарий

Здравствуйте.
Прочитал статью «Модернизация светодиодного фонаря. Как заменить свинцовый аккумулятор литий-ионным». Заменил аккумулятор на литий-ионный. Использовал контроллер, имеющий защиту от переполюсовки при подключении аккумулятора и короткого замыкания выхода. В режиме сна контроллер разряжает аккумулятор (ток 0,02 А). Подскажите это нормально или нет. Если нет, какая причина?

Здравствуйте, Андрей!
Ток потребления платой защиты при отключённой нагрузке должен быть равен нулю. На практике же он составляет не более несколько микроампер. Специально измерял в своем фонаре и наушниках, в которые устанавливал литиевые аккумуляторы. Амперметр показал ноль.
Таким образом ток потреблять может схема фонаря или контроллер зарядки. Для проверки нужно полностью отключить все от платы, кроме аккумулятора. Если ток потребления останется прежним, значит неисправна плата контроллера и подлежит замене.

Источник