Плата повербанка с солнечной батареей

Солнечная батарея для зарядки телефона , проверка и доработка

Мобильные зарядные устройства Solar Power Bank пользуются сегодня повышенным спросом среди владельцев смартфонов. Оно и понятно — сама идея заряжать гаджеты от солнца весьма интересна. Впрочем, есть одно маленькое «но». Космические технологии даже в миниатюрных размерах (солнечная батарея для зарядки телефона) стоят дорого, поэтому пользователи выбирают дешевые китайские аналоги, которые можно купить на AliExpress всего за несколько десятков долларов.

В продаже встречаются Solar Power Bank разных размеров и дизайна, при этом больше всего поражает ресурсоемкость их встроенных аккумуляторов, которая колеблется в пределах 10000–45000 mAh. Но действительно ли эти портативные устройства соответствуют заявленным производителем характеристикам?

Как проверить реальные показатели китайского повербанка?

Внешне Power Bank с солнечной батареей однозначно внушает доверие — девайс имеет достаточно сложную конструкцию, которая состоит из монокристаллических фотопанелей, «впитывающих» энергию солнца, и электроники, скрытой под прочным корпусом из пластика и металла.

Стандартная комплектация предусматривает несколько разъемов: два USB-порта (для подзарядки смартфонов) и один miniUSB — для зарядки аккумуляторной батареи повербанка от сети. Power Bank оснащен также LED-индикаторами, которые показывают уровень емкости заряжаемой батареи, и простым светодиодным фонариком для подсветки.

Теперь перейдем к главному вопросу: как в домашних условиях можно проверить реальные показатели солнечной зарядки мобильного телефона и сравнить их с заводскими техническими характеристиками? Для начала потребуется вскрыть корпус устройства — в зависимости от конструкции повербанка, нужно отвинтить 6–8 винтиков или же просто разомкнуть пластиковые защелки.

1) Проверка солнечного элемента

Замерить напряжение фотоэлектрической панели можно при помощи стандартного вольтметра или мультиметра. Обычно этот показатель держится на уровне 5 V, но обратите внимание, что напряжение может «скакать», в зависимости от положения фотоэлементов относительно солнечных лучей. Для максимально точной проверки рекомендуется размещать Power Bank под прямым углом к солнцу.

Оригинальные модели иногда показывают мощность солнечных батарей для зарядки на уровне 6–7 V, что однозначно хорошо. Тогда как некоторые китайские повербанки очень часто не способны вырабатывать и 70% от заявленной производителем мощности фотоэлектрического модуля. В этом случае мобильное зарядное устройство лучше вернуть — пользы от него будет мало, поскольку аккумуляторы будут заряжаться от солнца на протяжении нескольких месяцев.

Обратите внимание, что при рассеянном свете или ярком искусственном освещении фотоэлектрические элементы не будут заряжать аккумулятор, и даже если горит зеленый индикатор заряда, — это указывает только на то, что фотоэлектрический модуль работает, как датчик света. Для полноценной подзарядки встроенной аккумуляторной батареи требуется исключительно солнечное излучение.

2) Проверка емкости аккумулятора

Больше всего пользователей интересует реальная емкость АКБ, ведь от этого зависит, сколько гаджетов можно будет подзарядить при 100% заряде повербанка. Замерить ресурсоемкость литий-ионных батарей или литий-полимерного аккумулятора можно двумя способами.

Самый простой, но далеко не лучший метод — проверка емкости зарядки на солнечных батареях, исходя из фактического количества полных циклов подзарядки смартфона. Если у вас смартфон с емкостью батареи на 2000 mAh, то потребуется посчитать общее количество полных циклов подзарядки мобильного телефона от переносного источника питания. Например, если полностью удалось зарядить смартфон только два раза, а в третий раз подзарядка «зависла» на уровне 75%, то определить реальную емкость аккумулятора повербанка можно по формуле:

(2*2000) + (0,75*2000) = 5500 mAh.

При этом не забывайте учитывать коэффициент потерь в процессе преобразовании солнечной энергии. По умолчанию — это 1,3.

5500*1,3 = 7150 mAh.

В данном случае реальная емкость аккумуляторной батареи повербанка составляет порядка 7000 мАч. Как показывает практика, реальная емкость портативных источников питания китайского производства обычно меньше в 2–3 раза.

Существует и более точный способ проверки емкости зарядки для телефона от солнечной батареи, но для этого придется дополнительно приобрести специальный USB-Tester, который способен измерять основные характеристики АКБ, а также показатели силы тока и напряжения. Перед началом теста обязательно разрядите устройство.

Как можно доработать повербанк с солнечной батареей?

Апгрейд Power Bank — дело тонкое, и занимаются этим исключительно радиолюбители и «технари». Давать какие-то конкретные советы в этом случае будет неуместно, поскольку у каждого пользователя собственные потребности и предпочтения. Добавлять новые литий-ионные аккумуляторы с целью увеличения емкости нужно крайне осторожно, так как встроенный балансир (контроллер заряда) попросту может не справиться с нагрузкой. Если добавить новые аккумуляторы параллельно и в обход балансира, то устройство работать будет, но до первого взрыва АКБ.

Продвинутые владельцы Power Bank, работающих на литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батареях рекомендуют делать выносную солнечную панель, потому что в китайский моделях «кустарные» батарейки часто перегреваются, когда долго лежат на солнце. Это приводит к выходу литий-ионных аккумуляторов из строя.

Зачем вообще покупать китайские Solar Power Bank?

Переносные источники питания — полезная штука, особенно если вы собираетесь на шашлыки или в поход. Несмотря на то, что китайские заряжающие устройства, которые продаются в Москве, чаще всего попадаются дефектными, спрос на них все равно растет. И привлекает именно низкая стоимость. Зачем переплачивать деньги за бренд, когда можно купить подделку и доработать? При этом вам не придется дополнительно мастерить корпус — все уже готово и выглядит весьма презентабельно.

Еще портативные зарядные устройства часто покупают для проведения домашних экспериментов. И в этом случае китайские аналоги считаются самым оптимальным вариантом. Не нужно паять микросхему «с нуля» — даже в дешевых платах предусмотрена встроенная защита от перезаряда, переразряда и короткого замыкания, а также установлен преобразователь солнечной энергии в электрический ток. Поэтому китайский зарядник для телефона на солнечной батарее позволяет экспериментировать без ущерба для домашнего бюджета.

Источник

Записки программиста

Паяем крафтовый повербанк с солнечной панелью

Совершенно естественным является желание носить электронику с собой безо всяких лишних проводов до ближайшей розетки. Для решения этой проблемы придумали аккумуляторы, об использовании которых главным образом и пойдет речь в данном посте. Впрочем, играться с аккумуляторами оказалось намного увлекательнее, чем я ожидал, поэтому речь также зайдет о повышающих DC/DC преобразователях и даже о солнечных панелях.

Ликбез по аккумуляторам

Примечание: Пользуясь случаем, мне хотелось бы поблагодарить людей с форума EasyElectronics за то, что помогли мне разобраться в некоторых тонких моментах касаемо использования аккумуляторов.

Есть множество разных видов аккумуляторов. На практике очень часто можно столкнуться с LiIon и LiPo аккумуляторами. Они имеют похожие свойства и взаимозаменяемы. Эти типы аккумуляторов используется во всех современных ноутбуках, планшетах, смартфонах, повербанках, заряжаемых игрушках, и даже дрелях-шуруповертах. Поэтому именно о них речь пойдет далее, притом под LiIon аккумуляторами я буду иметь в виду как сами LiIon, так и LiPo. Следует однако помнить, что существуют и другие типы аккумуляторов, в частности NiMH, NiCd, LiFePO4 и другие. NiMH и NiCd аккумуляторы часто продаются в виде перезаряжаемых батареек AA.

LiIon аккумулятор выдает напряжение около 3.7 В. Реальное напряжение изменяется в диапазоне от 4.2 до 3.3 В в зависимости от степени зарядки аккумулятора. Если разрядить аккумулятор слишком сильно, это может вывести его из строя. Поэтому при падении напряжения до 3.3 В (или 3.6 В для нагрузки с большим потреблением тока типа квадрокоптера) аккумулятор следует зарядить. Аккумулятор, содержащий в себе несколько последовательно соединенных LiIon ячеек, обозначается 2S, 3S, 4S и так далее в соответствии с количеством ячеек. При соединении аккумуляторов последовательно их напряжение складывается. Например, аккумулятор 3S выдает от 10 до 12.6 В. По аналогии параллельное соединение аккумуляторов обозначается 2P, 3P и так далее. При параллельном соединении складывается емкость аккумуляторов, а напряжение остается таким же. Существуют также аккумуляторы типа 3S2P. Думаю, название говорит само за себя.

Важно! При последовательном и параллельном включении аккумуляторов (ровно как и батареек) важно, чтобы они имели одинаковое напряжение (то есть, были одинаково заряжены), имели одинаковую емкость, и вообще, желательно, чтобы принадлежали одному производителю.

Емкость измеряется в ампер-часах (Ач) или миллиампер-часах (мАч). В теории аккумулятор емкостью 4000 мАч может выдавать ток силой 1 А в течение 4 часов или 100 мА в течение 40 часов. Действительность несколько сложнее, в частности, потому что по мере службы емкость аккумулятора сокращается. Более того, она сокращается даже просто со временем, если аккумулятор не используется. По разным исследованиям сокращение емкости составляет что-то в районе 10-15% за год. Для достижения максимального срока службы аккумуляторы рекомендуется хранить заряженными на 40% при температуре около 10 градусов Цельсия.

Максимальный ток, который может выдать аккумулятор, обозначается, как 1C, 5C, 30C, и так далее. Если аккумулятор емкостью N Ач может выдать ток до N А, это аккумулятор 1С. Если (X*N) А, то это аккумулятор (X)C. Например, аккумулятор 20С емкостью 2.2 Ач может выдавать ток до 44 А. Такие high discharge аккумуляторы часто используются в авиамоделизме. Нередко аккумуляторы обозначаются в стиле 20-30С. В случае с аккумулятором емкостью 2.2 Ач это означает, что аккумулятор может стабильно выдавать ток силой 44 А, а также пики до 66 А в течение 5-10 секунд.

80% их нужно заряжать при возрастающем напряжении и постоянном большом токе, затем при постоянном напряжении и постепенно уменьшающемся токе. Если в аккумуляторе больше одной ячейки, между первым и вторым шагом дополнительно выполняется балансировка ячеек (зарядка до одного уровня). На практике все это делается специальными зарядными устройствами вроде iMAX B6 или готовыми интегральными схемами вроде TP4056 (даташит [PDF], готовая плата на AliExpress), HT3582 (даташит [PDF]) или MAX1555 (даташит [PDF]). Также большой список альтернативных микросхем можно найти на Chip&Dip.

Fun fact! Если вам когда-нибудь понадобится заряжать NiMH или NiCd аккумуляторы, обратите внимание на MAX712 и MAX713 (даташит [PDF]).

На этом, думаю, ликбез можно считать завершенным. Перейдем уже, наконец-то, к практике!

Паяем повербанк

Первый прототип повербанка выглядел следующим образом:

Здесь используется аккумулятор в форме батарейки 18650 (18 мм диаметр, 65 мм длина). Кстати, это крайне популярный формат для LiIon аккумуляторов. К нему припаяна плата на базе чипа TP4056. Питание на эту плату подается от солнечной панели через понижающий регулятор напряжения на базе LM2596. Регулятор напряжения нужен по той причине, что солнечная панель может выдавать напряжение до 10 В, а TP4056, согласно даташиту, может переварить не более 8 В. Притом, в данном случае подойдет далеко не всякий регулятор. LM2596 был выбран по той причине, что он никогда не теряет более 0.3 В по сравнению с входным напряжением, даже если оно ниже заданного выходного. Для сравнения, MP1584 теряет до 1 В, а значит аккумулятору чтобы заряжаться будет нужен более яркий свет (более высокое напряжение от солнечной панели), чем при использовании LM2596.

Пару слов нужно сказать о припаивании проводов к аккумулятору 18650. Аккумулятор паяется не так-то просто, и при этом его нельзя перегревать (он может загореться, брызнуть вам химией в лицо, и тд). Я делал так. Наносил на поверхность флюс ЛТИ-120, разогревал паяльник до 400 градусов, брал на него побольше припоя, затем быстро-быстро (за 1-2 секунды) лудил поверхность и затем так же быстро припаивал к ней луженые провода. Есть и куда более безопасный способ — использовать батарейные отсеки для аккумуляторов 18650. На AliExpress можно без труда найти отсеки на один, два, три и четыре аккумулятора. Естественно, с разумной наценкой они также доступны и в более близких к вам интернет-магазинах.

В окончательном виде аккумулятор получился таким (вид сзади):

Все компоненты были закреплены на обратной стороне солнечной панели при помощи толстого двухстороннего скотча. Аккумулятор 18650 был заменен на более подходящий по размеру и формату аккумулятор от старого, давно разбитого, планшета. К слову о падении емкости, за 4 года емкость аккумулятора сократилась с заявленных 4270 мАч до чего-то в районе 2700 мАч. Это минус 10.8% емкости в год:

Самопальная плата с LM2596 была заменена на аналогичную несколько более компактную плату с AliExpress (на фото видна по центру). Поскольку аккумулятор имеет не постоянное напряжение где-то в окрестностях 3.7 В, а для питания устройств обычно нужны стабильные 5 В или больше, был добавлен повышающий DC/DC преобразователь на базе MT3608 (на фото слева с припаянным DC-проводом). На фото от повербанка успешно питается Arduino, которая на DC разъеме ждет минимум 7 В, что как бы намекает нам на то, как был выкручен потенциометр на плате с MT3608.

Fun fact! Существуют платы на базе TP4056 (UPD: аналогичного, но другого чипа) со встроенным DC/DC преобразователем, повышающим напряжение до 5В. Также существуют отдельные небольшие платы, повышающие напряжение до фиксированных 5 В.

USB-разъем был отпаян с платы на базе TP4056, так как плата не рассчитана на одновременную подачу питания от двух источников, например по USB и от солнечной панели. Для зарядки аккумулятора от сети в облачную погоду была добавлена небольшая плата с штырьками, гнездами и двумя диодами Шоттки 1N5818 (на фото — белая плата, приклеенная ниже остальных прямо на аккумулятор). То есть, общая схема следующая. Как солнечная панель, так и (опционально) внешний источник питания, защищенные друг от друга диодами, подключаются к понижающему регулятору на базе LM2596, оттуда питание подается на TP4056, заряжающему аккумулятор, а от аккумулятора провода идут к повышающему регулятору MP1584, от которого питается нагрузка.

Диоды Шоттки 1N5818 были выбраны из-за малого падения напряжения, составляющего 0.3 В против 0.7 В у обычных выпрямительных диодов вроде 1N4001. Кроме того, при зарядке от сети 1N4001 будут сильно греться (проверено, так как изначально я выбрал именно их). У диодов 1N5818 такой проблемы нет. При этом 1N5818 имеют сравнительно большой ток утечки, 1000 мкА против 5 мкА у 1N4001. В данном случае это не создало каких-либо проблем. Однако в других задачах стоит попробовать диоды Шоттки с меньшим током утечки, например 10CTQ150, 10ETS08, 10ETS12 или подобные. Эти диоды Шоттки имеют заявленный ток утечки до 50 мкА.

Повербанк можно заряжать напряжением от 6 до 30 В, где 30 В — это максимальное обратное напряжение для диодов 1N5818 (LM2596 может принимать на вход до 40 В). То есть, его можно заряжать обычным ноутбучным блоком питания на 19 В. Если аккумулятор был сильно разряжен, при следующей его зарядке TP4056 может заметно греться, до 80 градусов Цельсия. На чип можно приклеить небольшой радиатор. Но не похоже, чтобы в этом была реальная необходимость, и получить ожог при такой температуре все равно не получится.

Заключение

Для этого повербанка мною также была спаяна небольшая приставка с USB-разъемами (JPG, 170 Кб) на базе понижающего регулятора MP2307. Если вам нужно чисто питать USB-устройства, то можно обойтись и без еще одного регулятора, если выставить выходное напряжение повербанка в 5 В. Но иногда мне нужно больше 5 В, а постоянно крутить ручку потенциометра не хочется. Поэтому я добавил очередной регулятор, заплатив некоторой потерей энергии на нем за удобство. Стоит отметить, что в итоге я стал использовать приставку в качестве самостоятельной, никак не связанной с повербанком, платы распределения питания. Так что, наверное, придется спаять еще одну такую же.

Можно придумать немало улучшений для повербанка. Например, добавить отображение уровня заряда аккумулятора, а также встроить в него светодиодный фонарик. Еще я планирую доработать приставку, чтобы она заряжала повербанк при наличии питания в сети, и использовала его как UPS при отключении электричества. А какие умопомрачительные применения всему описанному выше можете придумать вы? 🙂

Источник