Ремонт бытовой техники своими руками

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.

Внешний вид светодиодного фонаря

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.

Светодиодный фонарь со вздутым аккумулятором

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).

Внешний вид контроллера на микросхеме TP4056

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.

Электрическая схема контроллера на микросхеме TP4056

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, кОм30201054321,661,51,331,2
Ток зарядки, мА50701302503004005806907809001000

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
НаименованиеЗначениеПримечание
Входное напряжение, В4,5-8,0Более 5,5 В не рекомендуется
Выходное напряжение, В4,2
Максимальный ток заряда, А1,0Можно изменять величиной R с вывода 2
Минимальный ток заряда, А0,03При меньешм токе уйдет в сон
АвтооключениеестьПри токе задядки <1/10 заданного R
Индикатор работыестьКрасный-заряд, синий-заряжен
Мониторин напряжения, В4,0Если ниже, то включается зарядка
Защита от переполюсовкинетПереполюсовка аккумулятора не допустима
Входной разъемMicro-USBЕсть контакты для пайки
Выходной разъемнетЕсть контакты для пайки
Габаритные размеры, мм19×27
Вес модуля, гр1,9

Стоит заметить, что если попутать полярность подключения аккумулятора к выходу контроллера, то чип сразу пробьется и на выводы аккумулятора начинает поступать подводимое к контроллеру напряжение, что может вывести его из строя.

После зарядки Li-ion аккумулятор от контроллера отключать не обязательно. В режиме сна или когда на контроллер не подается напряжение, он аккумулятор не разряжает.

В данной схеме контроллера не задействована функция отключения при нагреве аккумулятора выше допустимой температуры. Но ее можно включить, если вывод 1 микросхемы отсоединить от общего провода и подключить к выводу датчика температуры аккумулятора (такие есть в аккумуляторах всех сотовых телефонов).

Внешний вид контроллера на микросхеме TP4056 с защитой от переполюсовки

Если есть необходимость использовать контроллер, имеющий защиту от переполюсовки при подключении аккумулятора и короткого замыкания выхода, то можно применить контроллер, изображенный на фотографии.

Электрическая схема контроллера на микросхеме TP4056 с защитой от переполюсовки

В дополнение к микросхеме TP4056 установлена DW01A (схема защиты) и чип с двумя ключевыми полевыми транзисторами SF8205A. Время защиты составляет несколько минут при токе 3А. Остальные технические характеристики не изменились.

В фонаре аккумуляторы с контроллером соединяются с помощью пайки. Поэтому был выбран контроллер без схемы защиты, представленный в статье первым.

Установка литий-ионного аккумулятора
в LEL фонарь

Прежде, чем приступать к работе нужно проверить работоспособность контроллера и аккумулятора.

Проверка контроллера перед установкой в фонарь

На контроллер можно подавать напряжение без нагрузки. В таком случае на выходе устанавливается напряжение 4,2 В и на плате светит синий светодиод. Далее нужно проверить аккумулятор, подключив его к выходу контроллера и зарядив полностью. Во время зарядки будет светить красный светодиод, а когда аккумулятор зарядится – синий.

Целесообразно после зарядки провести ходовые испытания аккумулятора, подключить его вместо кислотного и посмотреть сколько времени просветит фонарь. У меня проработал 10 часов и продолжал светить. Больше не стал ждать, так как этого времени для моих задач вполне достаточно.

Новая электрическая схема LED фонаря

На следующем шаге разрабатывается новая электрическая принципиальна схема фонаря. Отрицательный провод является общим для всех узлов и аккумулятора. В левом положении переключателя SA1 общий его контакт соединяет аккумулятор с положительным выводом контроллера. При соединении среднего вывода с выводом 3 напряжение подается на плату узкого луча, а с выводом 4 на планку светодиодов рассеянного света.

Электрическая схема модернизированного фонаря

Переключатель типа тумблер SA2 служит для выбора аккумулятора, от которого будут работать светодиоды. Так как в наличии имелось два аккумулятора, то решил в фонарь установить оба. На вопрос о допустимости параллельного включения литий-ионных аккумуляторов без специального контроллера однозначного ответа нет. Поэтому я решил пойти проверенным путем и предусмотрел возможность подключать аккумуляторы по отдельности.

Отдельное подключение каждого аккумулятора позволило не только обеспечить их работу и зарядку в оптимальных условиях, но и в процессе эксплуатации фонаря знать сколько времени он еще проработает. Зная сколько времени хватило для работы от одного аккумулятора, будет известно, сколько еще сможет просветить фонарь.

В дополнение, если выйдет из строя один из аккумуляторов, то это не приведет к потере работоспособности фонаря. Два отдельных блока светодиодов и два аккумулятора гарантируют, что вы никогда не останетесь в темноте.

Сборка фонаря на литий-ионном аккумуляторе

Теперь все подготовлено и можно приступать к модернизации фонаря – переделке его схемы для работы с литий-ионным аккумулятором.

Светодиодный фонарь в разобранном виде с удаленными проводами

Сначала от переключателя отпаиваются все провода и удаляется прежняя плата зарядного устройства.

Тумблер, установленный в корпусе светодиодного фонаря

В корпусе модернизируемого фонаря имелся отсек, предназначенный для короткого сетевого шнура, который закрывается откидной планкой со светодиодами рассеянного света. В него и был выведен рычаг тумблера SA2 выбора аккумулятора.

Полоски скотча для фиксации аккумулятора

Для фиксации аккумуляторов был использован двух сторонний скотч, в виде двух полосок. Закрепить аккумуляторы можно и с помощь силикона.

Контроллер и аккумулятор установленные в фонарь

Перед закреплением аккумуляторов и платы контроллера к ним были предварительно припаяны паяльником провода требуемой длины. В связи с тем, что два аккумулятора в одной половинке корпуса фонаря удобно не размещались, установил их по одному в каждой половинке корпуса. Плата контроллера к корпусу была закреплена с помощью двух винтов с гайками М2.

При припайке проводов к выводам аккумулятору нужно соблюдать осторожность, чтобы свободные концы проводов случайно не соприкоснулись и не закоротили его выводы.

Светодиодный фонарь в разобранном виде с выполненным монтажом проводов

На фото показан фонарь после окончания монтажа. Осталось проверить его работу узлов и собирать.

Проверка зарядки аккумулятора фонаря с помощью USB тестера

Измерять ток зарядки включением амперметра в разрыв цепи после контроллера невозможно, так как внутреннее сопротивление прибора большое и результаты измерения будут не верными. У меня в наличии имеется USB тестер, с помощью которого можно узнать напряжение, подаваемое с зарядного устройства, текущий ток заряд, время заряда и емкость энергии, которую принял аккумулятор. Тестер показал, что контроллер заряжает аккумулятор током 0,42 А. Следовательно, контроллер заряжает аккумулятор нормально.

Цвет свечения индикаторов зарядки аккумулятора не виден

После сборки фонаря оказалось, что его красный корпус не пропускает свет синего цвета и узнать об окончании зарядки невозможно.

Свечение индикатора желтым цветом во время зарядки аккумуляторов фонаря

Пришлось фонарь разобрать и в зоне расположения индикаторных светодиодов сделать щелевое отверстие.

Свечение индикатора синим цветом после окончания зарядки аккумуляторов фонаря

Теперь, когда аккумулятор зарядился, хорошо стало видно свечение светодиода синего цвета.

О выборе литий-ионного аккумулятора для фонаря

Для модернизации фонаря подойдет любой литий-ионный аккумулятор в независимости от материала, из которого изготовлен его положительный электрод и форм-фактора (формы и геометрических размеров). Емкость аккумулятора (выражается в А×час) тоже не имеет значения, просто чем она больше, тем дольше будет светить фонарь.

Следует заметить, что если в фонарь устанавливается аккумулятор, бывший в употреблении длительное время, то его фактическая емкость, как правило, значительно меньше, чем указано на его этикетке.

Проверить целесообразность установки старого аккумулятора в фонарь можно измеряв его емкость при зарядке, что потребует наличие измерительных приборов, хотя бы USB тестера. Или зарядить аккумулятор полностью, подключить его к плате светодиодов фонаря и проверить достаточность времени его работы.

В случае, если аккумулятор оказался недостаточным по емкости, то придется приобрести новый. Наиболее подходящим для фонаря является популярный Li-ion аккумулятор типа 18650.

О встроенной схеме защиты в Li-ion аккумуляторах

Встречаются литий-ионные аккумуляторы, в которые встроена плата схемы защиты (PCB - power control board) от короткого замыкания , перезаряда и глубокого разряда. Такая защита в обязательном порядке устанавливается в аккумуляторы дорогостоящей аппаратуры, например, сотовые телефоны, фотоаппараты, ноутбуки.

Плата защиты круглой формы может быть установлена и на торце пальчикового аккумулятора. В таком случае аккумулятор несколько длиннее и на его корпусе имеется надпись «Protected».

Внешний вид аккумулятора сотового телефона со снятой крышкой

На фотографии показан вскрытый корпус аккумулятора сотового телефона. В нем имеется печатная плата схема защиты. При использовании для установки в фонарь аккумулятора от сотового телефона эта схема будет служить дополнительной защитой, поэтому, если она исправна, то ее удалять не следует.

Припаивать провода, соблюдая полярность, нужно к крайним контактам, рядом с которыми нанесена маркировка полярности.

Внешний вид платы защиты аккумулятора сотового телефона

Схема защиты, в отличии от контроллера, не ограничивает ток зарядки, а только защищает аккумулятор. В этом и заключается отличие этих узлов.

Как восстановить Li-ion аккумулятор
после глубокого разряда

Если Li-ion аккумулятор быстро заряжается и разряжается, то значит он исчерпал свой ресурс и восстановлению не подлежит.

Если в аккумуляторе нет схемы защиты и напряжение на его выводах равно нулю, то аккумулятор тоже восстановлению не подлежит.

Если в аккумулятор встроена схема защиты и он не принимает заряд, а напряжение на его выводах равно нулю, то его можно попробовать восстановить.

Причина такого поведения может быть глубокий разряд в результате длительного хранения аккумулятора в разряженном состоянии. Если напряжение на выводах банки становится меньше 2,8 В, то система защиты расценивает это как внутреннее короткое замыкание и для безопасности блокирует возможность его зарядки.

Восстановление глубоко разряженного аккумулятора сотового телефона

Чтобы разобраться в причине, нужно вольтметром измерять напряжение на выводах аккумулятора. Если величина менее 2,8 В, то подать с контроллера, соблюдая полярность, напряжение 4,2 В непосредственно на выводы аккумулятора. Схему защиты от аккумулятора отключать не нужно, для нее это безопасно.

Если ток зарядки пошел, то нужно, минут через десять, отключить контроллер от аккумулятора и опять измерять напряжение на его выводах. Если оно стало более 2,8 В, то попробовать зарядку через схему защиты. В случае, если напряжение близко к нулю и не увеличивается, то аккумулятор не исправен и дальнейшей эксплуатации не подлежит. Если напряжение увеличилось, но не достигло 2,8 В, то продолжить зарядку на прямую.

Если через схему защиты аккумулятор стал заряжаться, значит она исправна. В противном случае схему нужно удалить. Для применения аккумулятора для фонаря схема защиты не обязательна.

Таким несложным способом можно протестировать LI-ion аккумулятор и в случае возможности, восстановить его работоспособность.

Заключение

Замена кислотного аккумулятора в светодиодном фонаре литий-ионным позволяет решить главный вопрос – работоспособность фонаря в течении длительного времени при редком его использовании, так как саморазряд аккумулятора не превышает 2% его емкости в месяц.

В дополнение, при наличии литий-ионного аккумулятора от любого вышедшего из строя электронного устройства, можно сэкономить и фонарь станет на много легче.