2.1. Какой зарядкой заряжать аккумулятор дивайса с литий ионным аккумулятором(часть1) 

           В интернете очень много публикаций посвящено этому вопросу. Много обсуждается на форумах.  Наряду с вопросом как правильно заряжать аккумулятор гаджета, обсуждается вопрос какой зарядкой заряжать аккумулятор.

        Современные дивайсы: телефоны, смартфоны и планшеты имеют унифицированный разъем Micro или Mini USB. И в связи с этим, все зарядки подходят по разъему от планшета к телефону и наоборот. Однако выходные характеристики их существенно различаются.

        Если по выходному напряжению все ясно: все они выдают постоянное напряжение 5 вольт, то по току могут отличаться в 3-5 раз. Диапазон может быть такой: от 0,5 ампер до 2 и более ампер. 

       В интернете встречаются такие рекомендации:

Телефон или планшет можно заряжать любой зарядкой, сила зарядного тока будет такая какая требуется для данного гаджета. В них установлен контроллер управляющий силой зарядного тока. На сайте корпорации Apple действительно есть такая запись, что в  айфоне стоит устройство, которое контролирует силу поступающего тока [1]. 

«Максимальный ток заряда определяется контроллером заряжаемого устройства, поэтому не бойтесь подключать ЗУ с большим током, чем требует гаджет. Он просто-напросто возьмет столько, сколько нужно - ничего не сгорит и не сломается» [1]

«Максимальная сила тока. Этот показатель также указан на адаптере. Если сила тока больше, чем та, на которую рассчитан ваш смартфон, гаджету это не навредит, так как сработает защитный механизм. А вот если сила тока меньше чем нужно, это отрицательно скажется на скорости зарядки.» [2]

«Пример 2

           -Телефон может заряжаться от 1А-источника.

           -Зарядное устройство работает до 2А.

Тогда адаптер обеспечит лишь 1А тока, разницы во времени зарядки не будет (если прежнее зарядное устройство было на 1А, конечно).» [3]

К сожалению, доказательств, подтверждающих правоту этих рекомендаций авторы не приводят. Я имел опыт когда мой телефон перестал заряжаться. Предполагаю, что в связи с тем, что заряжал его зарядным устройством большей мощности, чем было приложено к дивайсу, а именно  зарядным устройством с током 1,5 ампер, вместо 0,75 а.

       Итак, система зарядки аккумулятора, по опубликованным в интернете материалам, состоит из собственно зарядного устройства, которое включается в розетку, контроллера питания, находящегося в девайся или гаджете и модуля защиты аккумулятора, который в основном располагают непосредственно на аккумуляторе. Блок схему всей этой системы зарядки можно представить так:

  Рис.1  Блок схема системы зарядки Литий ионного аккумулятора девайся (гаджета).

  ЗУ- зарядное устройство;  КП- контроллер питания; МЗ – модуль защиты; Акк- аккумулятор

Напряжение после зарядного устройства +5 вольт, после контроллера питания снижается и стабилизируется до 4,2 вольт.

2.1.1. Вольтамперная характеристика зарядных устройств 

Понять как работает зарядное устройство проще всего по его вольт амперной характеристике (ВАХ). В Интернете найти ВАХ для зарядного устройства не удалось.

Для измерения ВАХ Была собрана схема представленная на рис.2

Рис.2 Схема измерения параметров зарядного устройства

    А - амперметр; V - вольтметр.      ЗУ- зарядное устройство;      R - нагрузочный резистор

 ВАХ снимались для зарядных устройств  Xiaomi (5V 2A),  Lenovo (5V 1,5A),  Huawei(5V, 1,0A) и  Nokia (5V 750ma).

     Снять ВАХ можно лишь до определённого минимального значения напряжения. При дальнейшем увеличении нагрузки и соответственно снижении напряжения на ней срабатывает защита от короткого замыкания в зарядном устройстве.

   На рисунке 3 приведена ВАХ перечисленных выше зарядных устройств

 Рис.3

         Из ВАХ зарядных устройств видно, что они имеют в схеме стабилизатор напряжения на 5 вольт и стабилизатор тока с максимальным значением, зависящим от мощности зарядного устройства.

         Найти схему зарядного устройства, используемого для комплектации какого либо дивайса пока не удалось. Но с большой вероятностью можно предположить, что она выполнена на импульсном принципе преобразования переменного напряжении с 220 вольт до постоянного напряжения 5-6 вольт и дальнейшей стабилизацией напряжения в 5 вольт и стабилизацией тока 0,7; 1,0; 1,5; или 2,0 ампера (возможно существует более широкий спектр зарядных устройств) в зависимости от мощности зарядного устройства. Эти параметры указаны в технических характеристиках зарядного устройства.

      В [8] приводятся такие схемы зарядных устройств. На рис.2 зарядное устройство. выполненное на основе БП с  стабилизатором тока и напряжение. Контроллер питания в данной схеме не используется.

Рис.2 

На рис.3 показана схема, основанная на импульсном преобразовании переменного напряжения 220 вольт в требуемое постоянное 5 вольт. Зарядное устройство имеет гальваническую развязку и стабилизатор напряжения. Однако стабилизатора тока у данный схемы нет. Поэтому, можно утверждать. что это схема блока питания, а не зарядного устройства для литиевого аккумулятора.

Рис.3 

2.1.2. Вольт-амперная  характеристика  зарядки литиевого аккумулятора

Схема для снятия вольт амперной характеристики аккумулятора приведена на рис.4

Рис.4        БП - блок питания с регулируемым напряжением: А-амперметр; V – вольтметр; Акк – аккумулятор.

         Вольт амперные характеристики сняты для литий ионных аккумуляторов различной емкости: 600 mah, 1200 mah  и 4650  mah.

      Снятие ВАХ производилось при различном уровне заряда аккумулятора. Уровень заряда аккумулятора оценивался по напряжению на аккумуляторе с отключенным зарядным устройством. В некоторых случаях, где было возможно, приведены значения уровня заряда в %, соответствующих уровню заряда оцененному  по напряжению.  ВАХ измерялись следующим образом : при выбранном уровне заряда аккумулятора подавалось коротковременно различное напряжение и измерялась при этом сила тока. Коротковременная подача напряжения не вызывала заметного изменив уровня заряда аккумулятора. Поэтому можно считать, что ВАХ зарядки аккумулятора снималась при одном уровне заряда аккумулятора.

На рисунке 5 приведена ВАХ для аккумулятора от телефона Nokia ёмкостью 1200 mah.

Рис.4 

     Нижняя кривая для разряженного аккумулятора.  Уровень заряда 3,55 в.  Верхняя кривая соответствует заряду аккумулятора примерно 100 %. Уровень заряда был 4,11 вольта. Средняя кривая соответсвует примерно 50% уровню заряда аккумулятора (3,8 волт). Следует отметить, что измерить напряжение заряда на полностью заряженном аккумуляторе  током больше 0,8 ампер не удалось, так как  контроллер аккумулятора отключает аккумулятор от зарядного устройства при напряжении больше 4,3 вольта.

На рисунке 5 представлена ВАХ зарядки аккумулятора планшета Huavei  4650 mAh.

Рис.5 

Нижняя кривая соответствует уровню заряда 1% ( по индикатору планшета)   3,53 вольта, средняя 51% (3,81 в) и верхняя 94% (4,18в). Видно, что при подаче на аккумулятор стабилизированного напряжения 4,2 вольта при уровне заряда аккумулятора приближающемся к 100% зарядный ток приближается к нулю.

2.1.4. Измерение силы тока при зарядке аккумулятора 

             Основной характеристикой процесса зарядки любого аккумулятора, в том числе и литий ионного, является сила зарядного тока.

           В Интернете  можно найти статьи, где приводятся результаты измерения этой характеристики [  ]. Однако сам способ измерения, как правило не описывается. Между тем, способ измерения силы тока существенно влияет как на величину измеряемой силы зарядного тока, так и на весь процесс зарядки аккумулятора.

       Для проверки влияния различных способов измерения параметров зарядки литий ионного аккумулятора была собрана схема, показанная на рисунке 4.1. Измерения производились на планшете Леново. Емкость аккумулятора 4800 mah, при использовании двух зарядных устройств: 5v 0,7a  и 5v 1,5a. Для измерения напряжения на аккумуляторе были выведены провода, припаянные на плате планшета, рядом с клеммой подключения аккумулятора (измерялось напряжение вольтметром V2).

 Рис.4.1 Схема измерения характеристик процесс зарядки аккумулятора

          ЗУ- зарядное устройство; КП – контроллер питания; МЗ- модуль защиты аккумулятора(встроен в аккумулятор); Акк-аккумулятор; А-Амперметр;  V2-вольтметр; mv - милливольтметр

            На рис.4.2 показана кинетика зарядки литий ионного аккумулятора планшета, левый график при использовании зарядного устройства 0,7а, правый график 1,5 а.Нижняя кривая при включении в цепь амперметра, верхняя без амперметра. Напряжение измерялось в момент кратковременного отключения зарядного устройства от сети. Напряжение полностью разряженного аккумулятора составляло порядка 3,5 вольта. При таком напряжении индикатор планшета показывал уровень заряда 1%. При уровне заряда аккумулятора 100%, напряжение на аккумуляторе составляло 4,27 вольта.

Рис.4.2 Кинетика зарядки литиевого аккумулятора емкостью 4800 mAh с использованием амперметра( красная кривая) и без апмперметра (синяя кривая)

      Итак, видно, что при использовании в цепи измерительного амперметра процесс зарядки аккумулятора существенно изменяется. Например, при использовании зарядного устройства 1,5а аккумулятор заряжается до 100% в течении 5 часов с амперметром в цепи, тогда как без амперметра время заряда составляет всего 3 часа.  Более наглядно это влияние видно на величине силы тока при использовании амперметра и без него рис.4.3

Рис.4.3 Кинетика силы зарядного тока при использовании в цепи амперметра(нижняя кривая) и без него( верхняя кривая)

      Аналогичная картина наблюдается при использовании USB тестера, изображенного на рис 4.4.Марка KCX-017

Рис 4.4

       На рисунке 4.5 приведена кинетика силы зарядного тока при зарядке аккумулятора планшете Леново 4800 mah в сравнении с использованием данного тестера и без него. Зарядное устройство было 5v 1,5a.

Рис 4.5 Кинетика силы зарядного тока с использованием USB тестера (нижняя кривая) и без использования (верхняя кривая)

      Наблюдается аналогичная картина, как и при использовании стрелочного амперметра в цепи зарядки.

     Правильнее производить измерения при минимальном влиянии на процесс зарядки аккумулятора. Небольшая переделка USB кабеля позволяет измерять силу зарядного тока по падению напряжения на нем. На рис.4.6 показан кабель с переделанными разъемами микро USB  и USB. Разъемы разборные, позволившие вывести провода из них. Кабель взят от зарядного устройства Нокиа 0,75а – двухпроводный. Использован кусок около 40 см. В разъеме микро USB data выводы закорочены (ниже будет показано для чего это сделано).Кроме того с двух сторон провода зашунтированы конденсаторами порядка 10nf. Конденсаторы позволили уменьшить наводку сигнала частотой 20 – 30 кГц. Видимо, сигнал наводится от работы частотного генератора либо зарядного устройства, либо контроллера питания дивайса.

Рис 4.6 USB кабель с выводами для измерения силы тока по падению напряжения

     При зарядном токе  0,7а падение напряжение составляет порядка 60 мв. Что вполне достаточно, чтобы измерять цифровым мультиметром в диапазоне измерения милливольт. На рис4.1 изображен милливольтметр для измерения силы зарядного тока этим способом. На рисунке 4.3 и 4.5 сила тока (верхняя кривая) измерена этим способом.

Во второй части (>>>>) рассмотрены вопросы:

         2.2.1 коммутация USB выводов зарядных устройств.

                 2.2.1.1. Распиновка micro USB разъема

                 2.2.1.2. Как должны быть коммутированы USB выводы зарядных устройств.

       2.2.2. Кинетика зарядки литий ионного аккумулятора

       2.2.3. Зарядка аккумулятора дивайся в обход контроллера заряда

 2.2.4. Какой зарядкой заряжать дивайс или какой мощности можно использовать зарядное устройство.

       Ссылки

По мере поступления материала страница будет дополнятся.