Модификация карманного фонарика (с аккумуляторов ААА на аккумулятор 18650)

Светодиодный фонарь на Li-ion аккумуляторе типа 18650

Нам понадобятся:
– мощный светодиод (фонарик);
– Li-ion аккумулятор формата 18650;
– контролер заряда для li-ion аккумуляторов;
– зарядное устройство от мобильного телефона.

1. Фонарик
Для переделки я использовал вот такой китайский фонарик «MD-1588W1» с встроенной свинцовой батареей. Из фонаря понадобились только корпус светодиод, кнопка и пара токоограничительных резисторов. Все остальное можно смело отправлять в мусорный бак.

2. Li-ion аккумулятор формата 18650.

Такой аккумулятор можно добыть из старой ноутбучной батареи. Там их обычно несколько штук. Аккуратно разбираем его и извлекаем аккумуляторы. Далее отделяем 1 штуку и измеряем напряжение на аккумуляторе. Если оно меньше, чем 2.5В, то смело его выбрасываем (аккумулятор, который долгое время был разряжен ниже этого значения всё равно не жилец).

Контролер заряда для li-ion аккумуляторов.

Схема, устройство и принцип работы контроллера Li-ion аккумулятора.
Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC. Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.
Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки (“банки”) на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная – сборка двух MOSFET-транзисторов.

Контроллер Li-ion аккумулятора выполняет такие функции:
– защита от перезаряда (выше 4,2В);
– защита от глубокого разряда (ниже 2,5В);
– защита от токовой перегрузки;
– защита от короткого замыкания.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе – это по сути “мозг” контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 – ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 – это MOSFET-транзисторы.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.
Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора – подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge) – подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.
Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты вцелом.

Защита от перезаряда (выше 4,2В).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 – 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.
Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 – 4,3V (Overcharge Protection Voltage – VOCP), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 – 4,1V (Overcharge Release Voltage – VOCR) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.
Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадет, ниже 4,2V.

Защита от глубокого разряда (ниже 2,5В).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 – 2,5V (Overdischarge Protection Voltage – VODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.
Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).
Тут есть весьма интересное условие. Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысит 2,9 – 3,1V (Overdischarge Release Voltage – VODR), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за “смерть” аккумулятора.
Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к “внешнему миру”, то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 – 3,1V (VODR).
Тут возникает весьма резонный вопрос. По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от глубокого разряда? Как нам снова подзарядить “банку” аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда – FET1?
Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.
Также если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P, G2NK), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда – Charger Detection. То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядник подключен и разрешит процесс заряда.
Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время – несколько часов.
Защита от токовой перегрузки
Защита от перегрузки срабатывает по падению напряжения на транзисторах (измеряется входом CS подключенным через резистор R2 к выходу). Т.е., даже если очень плавно увеличивать ток, то по достижению 2,5-3 ампер (для небольших аккумуляторов) плата нагрузку отключает.
Защита от короткого замыкания.
При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Сброс защиты.
Если в процессе эксплуатации батареи контроллер уйдет в какую-либо из перечисленных защит, то для выхода его из этого состояния необходимо кратковременно замкнуть контакты “ВATT-“ и “GND” . Или можно кратковременно замкнуть специальные контакты для сброса защиты «точки».

Средний выход контроллера просто подсоединен через резистор определенного номинала к отрицательному выводу батареи. В некоторых моделях контроллеров вместо постоянного резистора устанавливают терморезистор для контроля температуры батареи.
По номиналу этого резистора Ваше устройство может определить тип аккумулятора, или выключиться при несоответствии этого номинала нужным значениям.

Моя доработка контролера Li-ion аккумулятора.

Зеленый светодиод HL2 служит для индикации процесса зарядки. Он подключен параллельно выходу зарядного устройства и начинает светиться, как только ЗУ подключается к сети.
Для индикации окончания зарядки добавим в схему светодиод HL1. Когда напряжение на клеммах батареи достигает 4,2В, то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. В это время транзистор VT1 открывается и светодиод HL1 начинает светиться, сигнализирую об окончании процесса зарядки.
Диод Шоттки VD1 установлен т.к. зарядное устройство будет вмонтировано в корпус фонарика и соответственно отключаться не будет. Диод служит для предотвращения разрядки батареи через внутренние цепи зарядного устройства, а также для предотвращения свечения светодиода, если сработает защита от «глубокого разряда» (контроллер выключил MOSFET-транзистор FET1).

4. Зарядное устройство.

В качестве зарядного устройства будем использовать обыкновенный блок питания для зарядки телефонов 5В 1А. В моем случае необходимо разобрать корпус зарядного устройства, а саму плату встроить в корпус фонарика.

Схематическое изображение соединения всех элементов.

Надеюсь, для кого-то было интересно. На оригинальность не претендую. Просто делюсь своим опытом.

Сравнение и выбор аккумуляторов для фонаря: 18650, 16340, 14500 или R14, R20, АА, ААА

Большое разнообразие типов фонарей и фонариков порождает некую неопределенность при выборе аккумуляторов для них. В данном обзоре подробно рассмотрены современные литий-ионные аккумуляторные батарейки (акб) для светодиодного фонаря типоразмеров 18650, 16340, 14500, а также произведено их сравнение с ранее популярными классическими аккумуляторами для фонариков АА, ААА, R14, R20.

Данная статья поможет разобраться с тем, на что влияют такие важные технические характеристики, как химический состав, напряжение, емкость, ток отдачи. Понимание этих параметров поможет сделать правильный выбор аккумулятора для вашей модели фонаря.

Характеристики аккумуляторов для фонаря

К основным характеристикам аккумуляторов для фонаря относятся:

1. Химический состав.
2. Типоразмер
3. Напряжение.
4. Емкость.
5. Рабочий ток.
6. Эффект памяти.

• От химического состава акб (литий-ионный или никель-металл-гидридный) зависят все основные параметры: удельная емкость, напряжение одного элемента, максимальный рабочий ток, “эффект памяти”, число циклов заряд-разряд, Соответственно, от этого зависит длительность работы фонаря, яркость луча, количество элементов питания.
• Типоразмер – это формат акб (круглый, прямоугольный) и размеры. Это один из первых параметров при выборе аккумулятора. Фонарь рассчитан на элементы определенного типоразмера. Акб большего формата не поместятся в аккумуляторный отсек, а меньшего – там не зафиксируются. Типоразмер имеет цифровое или цифро-буквенное обозначение. У литий-ионных аккумуляторов: 18650, 16340 (CR123A), 14500. У никель-металл-гидридных: АА, ААА, R14, R20.
  • 18650 обозначает диаметр 18 мм и длину 65 мм, 16340 – 16 мм и 34 мм, 14500 – 14 мм и 50 мм.
  • АА – 14 мм и 50 мм, ААА – 10 мм и 44 мм, R14 – 26 мм и 50 мм, R20 – 34 мм и 62 мм.
    Как видим, аккумуляторные батарейки АА имеют тот же размер, что и акб 14500, но они не взаимозаменяемы из-за разного напряжения.
• Напряжение – разность потенциалов между положительным и отрицательным полюсами элемента питания, измеряется в Вольтах (В или V). Необходимо использовать аккумуляторные элементы с тем напряжением, на которое рассчитан фонарь. Так, применив три LI-Ion акб 3.7V вместо трех Ni-MH 1.5V элементов, мы получим суммарное напряжение около 12 Вольт (вместо 4.5 Вольта). Важна также величина изменения напряжения в процессе разряда. Различают несколько значений напряжения аккумулятора:
  • максимальное – после полного заряда,
  • минимальное – в конце разряда.
  • номинальное – в середине разряда.
• Емкость показывает как долго будет разряжаться аккумуляторная батарейка при номинальном токе. Измеряется в Ампер*часах (Ач), или, по-английски, в Amper*hour (Ah). Емкости небольшой величины выражают в миллиАмпер*часах или в milliAmper*hour (mAh). Надо понимать, что реальная емкость аккумулятора может быть заметно меньше заявленной, если рабочий ток значительно превышает номинальный ток.
• Рабочий ток измеряется в Амперах или миллиАмперах (А или мА), в зарубежном обозначении Amper или milliAmper (A или mA). Чем выше ток, тем большую энергию в единицу времени может отдавать аккумуляторная батарейка, а значит она сможет питать более мощную лампочку в фонаре. Надо разделять понятия максимального рабочего тока, который может отдавать акб, и номинального рабочего тока, при котором обеспечивается заявленная производителем емкость. Литий-ионные аккумуляторы длительно могут отдавать большой ток лампочке или светодиоду фонаря, чем обеспечивается более яркий луч, чем при использовании Ni-MH акб.
• Эффект памяти проявляется в уменьшении емкости никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторных батареек при неполном разряде перед началом зарядки. Эффект памяти характерен для Ni-Cd, снижен у Ni-MH и отсутствует у Li-Ion акб.

Виды аккумуляторов для фонариков

Несмотря на большое разнообразие аккумуляторов для фонариков, все их можно поделить на встроенные или съемные. Встроенные модели в данной статье не рассматриваются. А съемные аккумуляторы для фонарей разделяются на несколько видов:

1. Литий-ионные стандартные.
2. Литий-ионные специализированные.
3. Никель-металл-гидридные.
4. Свинцово-кислотные.

• Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы обладают самыми лучшими параметрами и получают широкое использование практически во всех типах фонарей. Большинство моделей фонариков рассчитаны на работу с Li-Ion акб стандартных типоразмеров.

  Обзор аккумуляторов. Делай раз – берем старый фонарик 3хААА. Делай два – вставляем в него литий. Профит.

  

  • Цена: $5.33
  • Перейти в магазин

  Вниз
  Есть у меня фонарик «Яркий луч» на элементах 3хAAA, которому лет уже с десяток наверное. Лежит он на полке быстрого реагирования. Т.е. когда нужен быстро фонарик, берется именно он. В ту пору когда он покупался, не ходили еще по улицам люди укутанные паром с душком апельсина и вишни, мало кто знал о литиевых 18650, поэтому фонарь на трех мизинчиковых батарейках был очень распространен, как удобный, компактный и в тоже время относительно мощный. Ну и вообще мне нравился его пухлый алюминиевый бочок, яркий свет (на свежих батарейках) и тугая резиновая кнопка)) Время идет, в обиход вошли литиевые элементы питания почти без саморазряда и довольно мощные. И пришла мне мысль как-то заманстырить в мой любимый дежурный фонарик литиевую батарейку. Потому что вечно возьмешь его, а казалось бы новые батарейки уже разряжены. 18650 в него не полезет, значит надо бы что-то компактнее. Скажу сразу, что идеальным вариантом были бы 14500, а лучше 18500 (да-да, есть и такие, потом уже узнал), но на момент, когда мысль о перделке переделке посетила мою голову, пригрезилось мне, что наиболее подходит для этого именно 16340, которые и были заказаны. Для начала дешевые Trustfire (с защитой), на пробу так казать.

  Аккумы пришли через 25 дней после заказа и были упакованы очень неплохо: в картонную коробку, затем в пузырчатый пакет и потом уже в маленький зип-пакетик.

  
  
  

  Теперь перейдем к нашему несравненному фонарику. Итак. Алюминиевый корпус, сборка из 3хААА, намек на водозащиту, 1 режим свечения, 9 убогих диодов и темлячок — красота:
  
  Многие скажут, на кой тебе это убожество, ведь можно пойти и купить за пару баксов фонарик на литие с ярким диодом и фокусировкой. И будут правы. Все так, да, но я привыкаю к вещам, да и просто жалко выбрасывать этот фонарик, предавать его забвению. К тому же этот уже есть, а другой надо все же покупать. Ну короче что есть, то есть.

  Тем более, если вы дочитали до этой строчки, значит и у вас есть такой дома фонарик, который жалко выбросить, ровно как и жаль на него постоянно покупать батарейки 🙂 Сказать по правде никакого особого DIY не будет, вынужден вас разочаровать. Будет ровно то, что указано в заголовке. Ну… начнем, помолясь.

  Первым делом хочу показать, как светит этот фонарь со старыми ГП и новыми Энерджайзерами. (Далее все замеры будут со сборкой на старых и новых батарейках.) Ну на фото трудно это передать, но так чтобы было понятно… со старыми батарейками можно смотреть непосредственно на диоды, с новыми — нет:
  
  Напряжение выдаваемое сборками соединенными последовательно соответственно 3.66 и 4.74 вольт:
  
  А вот сколько тока кушает фонарь: 60 и 670 мА. Как я понимаю, драйвера никакого просто нет, ток напрямую идет на светодиоды. Точно не знаю, не разбирал. Ну т.е. пока батарейки новые фонарь жарит по полной, но со временем накал все жиже и жиже
  
  Тут надо вернуться к началу обзора, где я говорил про то, что вместо казалось бы подходящих 14500 я выбрал 16340. Было это продиктовано тем, что тогда еще я думал, что мне придется запихать в фонарик стабилизатор напряжения — ну типа такой мелкой платки, понижающей напряжение с переменным резистором. При этом я знал, что в LED фонарях стоят драйверы, поддерживающие определенный ток. Но тут светодиоды другие и вообще я не силен в этих электроделах. Кстати, попробовал вставить один новый Энерджайзер АА (1.5в) и потасканный АА Ni-MH аккум ГП на 2100 мАч (1.2в). Ни с тем, ни с другим фонарь не зажегся. А может там все же есть драйвер. ))
  
  Короче после замеров мне пришла в голову мысль, что если уж напряжение так гуляет в этом фонаре, почему бы не попробовать просто тупо вставить в него литиевую батарейку, напряжение в которой меняется где-то от 4.2 до 2.5 в. Так и порешил — просто вместо сборки 3хААА поставил полностью заряженный элемент 16340:
  
  О как! Неплохое попадание по току — 570 мА. Так тому и быть. Теперь надо организовать плотное прилегание составных частей друг к другу. Для этого нам понадобится кусок картона и винтик М5х25
  
  Сворачиваем картон трубочкой, чтобы аккум не болтался внутри фонаря и попадал своим довольно узким плюсом в пружинку. Также эта картонка убережет при необходимости от замыкания на корпус болтика-удлинителя торцевой пружинки:
  
  Винтик мы просто ввинчиваем в пружинку на нужную длину:
  
  Все. Заворачиваем крышку и идем тестировать фонарь — оставляем на некоторое время включенным. Поначалу был несильный нагрев, который постепенно почти сошел на нет. Как вы догадались по току, светил он поначалу примерно также, как с новыми ААА, постепенно угасая, пока не достиг яркости, при которой можно смотреть на светодиоды — аккум за 2 часа достаточно сел:
  
  И снова попадание в 60 мА. Ну не красота ли)) Т.е. литиевый аккум почти 100% точно повторил питание от трех ААА батареек. Точно не могу сказать, сколько фонарь живет на новых батарейках ААА (типичная емкость щелочной ААА — 1000 мАч), но точно могу сказать, что большая часть заряда уходит у меня просто, пока фонарь лежит без дела. Надеюсь литий исправит эту проблему.

  На этом эксперимент по замене питания 3хААА тупо на литий можно считать завершенным, причем удачно)) После этого конечно захотелось бы стабильности по току, но для этого надо купить драйвер. Самый дешевый, что я нашел, на 350 мА на Фасттече за $1.15 и даже заказал его)) Хотя не уверен, буду ли его вживлять или так оставлю.

  В общем не ругайте строго за представленный колхоз и минусов не ставьте)) Всем мира и бобра!)

  голоса

  Рейтинг статьи