пятница, 7 марта 2014 г.

WH-18650A. Плата защиты для аккумуляторов типа 18650


Плата предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Использовать предполагается при максимальном токе 3 А, поэтому был взят вариант на 4 А, есть еще почти такие же, но на 2 А (суффикс B вместо A), немного дешевле.

В названии явно обозначен типоразмер аккумулятора, но плата точно так же подойдет для большинства литиевых аккумуляторов с диаметром 18 мм, например 18350, 18490, 18500. А если не использовать возможность установки на батарею, то подойдёт для любого типоразмера, главное, чтобы предельные параметры подходили.

Тестирование

Параметры от продавца:
  • Максимальное напряжение батареи: 4,275 В
  • Минимальное напряжение батареи: 2,5 В
  • Выходной ток: 4 А
У продавца никакой другой информации нет, так что я решил сам протестировать возможности платы. Тестировал с помощью двух вариантов источника - источник постоянного напряжения и аккумулятор. Первый нужен был для проверки срабатывания защиты по напряжению, второй - по току.

Действительно, при достижении 2,5 В или чуть ниже плата отрубает вход, на выходе получается ноль, банка дальше не разряжается. Чтобы схема снова начала пропускать ток, входное напряжение должно быть поднято уже до 3 В. Такой гистерезис исключает лишние переключения при смене состояния.

Защиту от перезаряда проверить полностью не смог, но она кажется рабочей. Если заряжать простым источником напряжения через резистор. Для проверки заряда ближе к его концу плата отключает выход и, если напряжение на банке еще мало, включает зарядку дальше. Частота проверки - примерно раз в секунду. Протестировал зарядку через несколько своих зарядных устройств, везде поведение другое, зарядные устройства сами контролируют весь процесс, и плата им не мешает.

При превышении максимального тока (заявлено 4 А) плата отключается, на выходе нулевой ток. Чтобы плата снова заработала необходимо снять нагрузку. Замкнул аккумулятор с защитой на резистор в 1 Ом, ток на выходе пошел чуть больше 2,5 А, напряжение, соответственно, такое же. Это единственный сомнительный момент в данной плате. Получается, что как только я немного повышу нагрузку (понижу сопротивление), напряжение еще просядет, и плата вырубится по напряжению. Аккумулятор нормальный, способен отдавать до 2,8 А точно. Возможно, повлияли провода и мультиметр. Далее замыкаю выход платы, и она сразу вырубается. Чтобы сбросить защиту, нужно отключить нагрузку.

Подготовка к сборке

Схема подключения элементарна, контакты на плате подписаны, но фиксация платы на батарее - задача непростая, в основном из-за необходимости применения специальных материалов. Обязательно понадобится подходящая термоусаживаемая трубка, что-нибудь для прокладки между платой и батареей, а также плоский проводник, который протянется от плюса к минусу батареи.

Так как теперь на плюсе батареи будет пайка, необходимо добавить на плюс что-то более выпуклое, чтобы нагрузка не приходилась на место этой пайки, подобное я уже делал.

Электрические соединения, повторюсь, довольно простые. Зад платы полностью представляет собой контактную площадку, он же вывод "P-", его паять не нужно. Вывод "P+", как и вывод "B+", нужно соединить с плюсом батареи. Они уже соединены на плате, так что провод-ленту можно будет тянуть от любого из них. Еще один провод должен соединять "B-" с минусом батареи, он должен быть коротким и полностью помещаться в зазор между платой и батареей.

В качестве длинного проводника от платы к плюсу батареи лучше всего использовать металлическую ленту. Такие ленты можно даже купить на Ebay, но мне нужна всего пара полосок, есть смысл поискать в пределах видимости. Нашел такую медную полосу, толщина ~0,1 мм, идеально. Необходимость использовать плоский проводник объясняется желанием сохранить габаритные размеры аккумулятора, часто в устройствах-потребителях не бывает лишнего зазора.

Плату надо как-то зафиксировать на минусовой площадке батареи. Здесь нужен компаунд, герметик, а может хватит и двухстороннего скотча. Всё зависит от того, планируете ли вы в будущем обслуживать данную схему. Дополнительным креплением станет термоусаживаемая трубка, поэтому абсолютная фиксация кажется необязательной.

Сборка и итоги

Решил сначала попробовать на убитом аккумуляторе. Так я без риска проверю все действия на ошибки.

Посмотрим, насколько изменится длина банки.


Пока заметно удлинение всего на пару миллиметров, но нужно учитывать, что будет еще пайка на минусовом контакте (можно сэкономить при пайке по краю, но сразу не догадался, но для того и тест на пробнике), а также прокладка между платой и батареей, бить чипы о железо не хочется. Её тоже можно сделать довольно тонкой, но крепкой, так как больших напряжений здесь нет, но физическая сила будет прилагаться часто. Пока решил поставить кусок старой термоусадки, довольно толстой. То есть сделал всё максимально толсто.

Берём ленту, отрезаем пару кусков. Длинный кусок пойдет вдоль всей батареи, короткий нужен только для замыкания площадки на плате с минусом банки, можно использовать даже кусок проволоки. Сразу всё лудим и припаиваем одним концом к плате.




Далее нужно короткий конец припаять к банке. Паять надо с минимальным количеством припоя, всё лишнее будет удлинять готовую сборку. У прокладки срезал немного один из боков, чтобы было место для ленты. Нужно соединять всё так, чтобы изгибы ленты не выходили за пределы батареи.


Теперь припаиваем оставшуюся ленту к плюсу банки. Здесь очень важно следить за тем, чтобы эта полоска не касалась корпуса банки. Добавьте под ленту какой-нибудь изолятор. Так как это проба на мертвой батарее, я поленился делать эту изоляцию (зря, ведь это также тест материалов). Эта изоляция - основа безопасности работы с батареей, так как при замыкании на корпус произойдет короткое замыкание батареи в обход защиты.

Далее остаётся натянуть трубку и усадить её так, чтобы она с обоих концов немного завернулась за край. И вот здесь проявилась главная проблема - трубка оказалась слишком хрупкой. Дополнительно неудачно вышло так, что сгиб трубки пришелся на один из краев ленты, и это сразу привело к разрыву. Края платы оказались слишком острыми, и они также порвали трубку.



Со стороны плюса всё отлично. Эта трубка боится перегрева, возможно это также повлияло на результат.

К сожалению, количество термоусадки у меня ограничено (с последним заказом пришел брак). Поэтому вторую попытку я решил отложить. Изначально не планировал использовать данные платы по прямому назначению, такой форм-фактор - случайность. Но кое-что в ходе проверки удалось выяснить на тот случай, если я захочу повторить попытку:
  1. Главное - лучше взять готовую банку с защитой, она будет точно такая же по конструкции. Вряд ли самому получится сделать лучше и дешевле.
  2. Термоусадку не перегревать. Сгибы держать подальше от металлической ленты.
  3. У провода-ленты убрать заусенцы. Максимально разгладить по поверхности банки. Лента должна быть хорошо изолирована от корпуса и внешней среды.
  4. Паять контакт к минусовому контакту около края, чтобы пайка не упиралась в центральную часть платы с чипами.
  5. Термоусадка достаточно сильно держит плату, беспокоиться за крепление платы к батарее не стоит. Но если есть подходящий компаунд, следует им воспользоваться.
  6. Желательно затупить края платы, например пустив по периметру слой изоленты или той же термоусадки.
  7. Как ни старайся, а 3-5 мм к батарее всё равно прибавится.
Платы можно использовать как защиту для самоделок или готовых устройств. Также можно встроить такую плату не в батарею, а в держатель батареи. Такие готовые конструкции есть на рынке.

Вряд ли буду еще пробовать делать защищенный аккумулятор самостоятельно, слишком коряво у меня получается. Останусь с первоначальной идеей использования в составе устройств-потребителей, а не батареи.

Так и не понял, что за третий чип установлен на плату, маркировка 10DB или 100B, вторая строка G62S. Если кто знает, намекните в комментариях. Остальные два чипа - сборки полевых транзисторов, по два на каждую.

Главный итог здесь для меня такой. Защищенные аккумуляторы-банки имеют существенный конструктивный недостаток в виде проводящей ленты вдоль всего корпуса. Её повреждение или, что вероятнее из-за её острых краёв, повреждение изоляции под/над ней может привести к контакту ленты с корпусом, то есть короткому замыканию аккумулятора в обход защиты. Соответственно, вряд ли использование защищенных цилиндрических аккумуляторов, особенно самодельных, более безопасно для всех применений.

Техника безопасности

Не рекомендуется долго нагревать аккумулятор. В лучшем случае это ухудшит его характеристики. Если есть возможность, используйте точечную контактную сварку для аккумуляторов.

Но если такого оборудования нет, можно обойтись и паяльником. Чтобы уменьшить время нагрева при лужении, используйте активный флюс, обязательно потом очистите от него батарею. Маломощным паяльником с тонким жалом будет очень сложно лудить батарею, используйте соответствующий инструмент. Рассчитывайте на 1-2 секунды непрерывного контакта паяльника с батареей. Если не получается так быстро, дайте батарее остыть и скорректируйте набор инструментов и/или технику.

Я паял всё паяльником, не обращая внимание на небольшой перегрев, так как тестовая батарея всё равно убитая.

Дополнение от 3 июля 2017 г.

Часто вижу советы, что нужно обязательно крепить контактной сваркой, вроде как при паянии идёт перегрев. Контактная сварка тоже греет место контакта, причём до большей температуры (температура плавления меди около 1350°C в отличие от максимум 300°C припоя). Но при контактной сварке греется меньший объём металла. Не уверен, какой способ здесь более безопасен, но уверен что оба вполне применимы.

Этот миф уже побороли, но теперь уже также часто в советах по пайке вижу советы по выбору очень мощных паяльников. Тоже ерунда. Время пайки здесь стремительно, и единственное значение имеет то, сколько энергии накапливает жало, и как быстро оно его может отдать. Достаточно просто толстого жала с плоской заточкой, даже 25-ваттный паяльник с 5-мм жалом вполне справится с задачей.

На самом деле намного большей проблемой является механическая прочность паянного соединения. Если не использовать специальных ухищрений (описывал здесь), то ленту от банки можно очень легко оторвать.

См. также

Комментариев нет:

Отправить комментарий