Чтобы не было разрядки батареии: индикатор разряда Li-ion аккумулятора (назначение и функции, советы)

Литий-ионные аккумуляторы сегодня повсеместно используются в портативной технике - телефонах, планшетах, фонарях и других гаджетах, работающих от автономного источника питания. Но как предугадать момент полного разряда батареи и избежать внезапного "вырубания" устройства? Поможет простой индикатор разряда, своевременно предупреждающий о скором конце заряда аккумулятора. Далее мы разберем принцип его работы, рассмотрим типовые схемы и дадим советы по сборке индикатора разряда Li-ion аккумуляторов своими руками.

Назначение индикатора разряда Li-ion аккумулятора

Основное назначение индикатора разряда литий-ионного аккумулятора:

• Предупреждать заранее, до критически низкого уровня, о скором полном разряде аккумулятора
• Дать возможность своевременно подключить зарядное устройство или заменить разряженный аккумулятор
• Избежать внезапного отключения техники из-за неожиданно севшего аккумулятора
• Полезен в устройствах, где важно постоянно знать оставшийся заряд батареи (квадрокоптеры, фонарики, измерительные приборы)
• Дает возможность экономить заряд аккумулятора, отключив заранее по сигналу индикатора несущественные функции

Благодаря этим важным функциям, индикатор разряда позволяет предотвратить многие неприятные ситуации, связанные с внезапной разрядкой аккумулятора. К примеру, для квадрокоптера это может означать аварийную посадку, а для фонарика - остаться в темноте. Поэтому наличие индикатора разряда в таких устройствах просто необходимо.

Принцип работы индикатора разряда

Принцип действия индикатора разряда Li-ion аккумулятора довольно прост и сводится к следующему:

1. Схема индикатора постоянно следит за величиной напряжения на аккумуляторе
2. Полученное напряжение сравнивается со значением заданного порогового напряжения
3. Как только напряжение на аккумуляторе снижается ниже этого порога, схема активирует индикацию - включает светодиод, подает звуковой сигнал и т.д.
4. Пороговое значение напряжения выбирается исходя из минимально допустимого напряжения конкретного типа Li-ion аккумулятора
5. Некоторые схемы индикаторов разряда позволяют не только включить индикацию, но и отключить нагрузку, чтобы избежать глубокого разряда батареи

Таким образом, при снижении напряжения на аккумуляторе ниже критического уровня индикатор разряда подает важный сигнал о необходимости немедленной зарядки батареи или ее замены.

Схемы индикаторов разряда на дискретных элементах

Рассмотрим несколько примеров схем индикаторов разряда, выполненных на дискретных электронных компонентах - транзисторах, стабилитронах, операционных усилителях.

Схема на транзисторе и стабилитроне

Простейший вариант - индикатор разряда на транзисторе и стабилитроне . Преимущества этой схемы:

• Простота и низкая стоимость
• Возможность использовать подручные детали

Недостатки:

• Нужна тщательная подгонка стабилитрона под нужное напряжение
• Постоянное потребление тока порядка 1 мА

Схема на операционном усилителе

Более точную настройку порога срабатывания обеспечивает индикатор разряда на операционном усилителе , включенном по схеме компаратора. Это позволяет:

• Точно задать нужное пороговое напряжение
• Избежать ложных срабатываний

Схема на компараторе напряжения

Еще один вариант - индикатор разряда на специализированном компараторе напряжений (микросхема LM339, КР140УД17 и др.). Преимущества этого варианта:

• Минимальное энергопотребление схемы
• Высокая чувствительность

Схемы индикаторов разряда на микросхемах

Рассмотрим схемы индикаторов разряда Li-ion аккумуляторов, выполненные на различных специализированных микросхемах.

На детекторе напряжения

Надежным решением будет индикатор разряда на детекторе напряжения (например, KR1171СП1). Достоинства такой схемы:

• Предельная простота
• Высокая надежность

На микроконтроллере

Еще более гибкие возможности дает индикатор разряда на микроконтроллере со встроенным АЦП. Это позволяет:

• Легко менять порог срабатывания программно
• Реализовать дополнительные функции

На плате защиты аккумулятора

Можно также воспользоваться готовой платой защиты аккумулятора из старого мобильного телефона, добавив к ней светодиод. Это решение подойдет, если нужно:

• Быстро собрать индикатор подходящими под рукой деталями
• Сохранить основные защитные функции готового модуля

Порядок сборки индикатора разряда своими руками

Пошаговый процесс создания индикатора разряда Li-ion аккумулятора:

1. Подбор всех необходимых компонентов и печатной платы подходящего размера
2. Установка элементов схемы на плату в соответствии с принципиальной схемой
3. Аккуратная пайка выводов радиодеталей припоем и паяльником
4. Тщательная проверка правильности всех соединений, отсутствия "холодных" паек
5. Подключение аккумулятора, настройка порогового напряжения срабатывания
6. Тестирование работы индикатора, корректировка порога срабатывания при необходимости

Собранный в домашних условиях индикатор разряда поможет избежать внезапного отключения техники из-за садящегося аккумулятора и даст возможность своевременно его зарядить.

Подключение индикатора разряда к аккумулятору

Существует два основных способа подключения индикатора разряда к литий-ионному аккумулятору:

1. Последовательно с нагрузкой, в разрыв цепи питания
2. Параллельно нагрузке, к выводам самого аккумулятора

Также можно использовать специальный переходник или ответвление от штатных проводов питания. Главное при любом подключении - соблюдать правильную полярность и не превышать допустимые напряжения для элементов схемы индикатора.

Выбор компонентов для индикатора разряда

При выборе деталей для индикатора разряда Li-ion аккумулятора следует учитывать:

• Тип аккумулятора и его рабочее напряжение (3.7V, 7.4V, 11.1V и т.д.)
• Номиналы резисторов, конденсаторов и других элементов согласно схеме
• Напряжение и мощность светодиодов, пьезоизлучателей
• Параметры транзисторов, микросхем (напряжение, ток)
• Габариты печатной платы, соответствующие размерам аккумулятора

Правильный подбор всех компонентов - залог надежной работы устройства.

Правила эксплуатации индикатора разряда

Чтобы продлить срок службы индикатора разряда, рекомендуется придерживаться следующих правил:

• Строго соблюдать правильную полярность подключения
• Не превышать допустимые напряжения для схемы
• Периодически проверять работоспособность и точность срабатывания
• Своевременно заменять перегоревшие светодиоды, севшие батарейки
• Беречь от ударов, воздействия влаги, грязи, пыли
• Следить за зарядкой аккумулятора при сигнале индикатора о разрядке

Соблюдение этих несложных рекомендаций позволит индикатору разряда надежно работать долгие годы.

Типичные неисправности индикаторов разряда

Рассмотрим наиболее разряда Li-ion аккумуляторов и способы их устранения:

• Отсутствие срабатывания индикации. Возможные причины - неправильная сборка схемы, нарушенный контакт в соединениях, неверно установлен порог срабатывания. Необходимо проверить правильность монтажа, надежность паек, отрегулировать пороговое напряжение.
• Ложные срабатывания индикатора. Могут возникать из-за недостаточного гистерезиса компаратора или неверной настройки порога. Требуется увеличить гистерезис и более точно подобрать пороговое напряжение.
• Слабое свечение или перегорание светодиода. Причина - превышение максимально допустимого тока. Необходимо уменьшить ток через светодиод или заменить его.
• Отсутствие звуковой сигнализации. Возможно, неисправен пьезоизлучатель или неправильно собрана схема его включения. Требуется диагностика и замена неисправных элементов.
• Нестабильные показания индикатора. Могут возникать от помех в цепи питания. Следует добавить фильтрацию питания и экранирование схемы.

Своевременное обнаружение и устранение подобных типичных неисправностей поможет надолго сохранить работоспособность индикатора разряда.

Примеры применения индикатора разряда

Рассмотрим несколько примеров использования индикаторов разряда литий-ионных аккумуляторов.

• В фонарях - для контроля оставшегося времени работы от батареек или аккумулятора.
• В детских игрушках, работающих от батареек - чтобы знать, когда пора менять элементы питания.
• В измерительных приборах, используемых в полевых условиях - индикатор поможет не допустить внезапного отключения из-за севшего аккумулятора.
• В квадрокоптерах и других беспилотных летательных аппаратах - для контроля заряда батареи в полете.
• В аккумуляторных отвертках, дрелях, шуруповертах - чтобы знать время непрерывной работы инструмента.

Достоинства и недостатки индикаторов разряда

Достоинства индикатора разряда:

• Простота конструкции и надежность в работе.
• Небольшие размеры и вес.
• Низкое энергопотребление.
• Возможность создания устройства своими руками.
• Доступная стоимость необходимых комплектующих.

Недостатки индикатора разряда:

• Отсутствие точной числовой индикации напряжения на аккумуляторе.
• Необходимость предварительной настройки порога срабатывания.
• Ограниченный диапазон контролируемых напряжений.

Безопасность при сборке и эксплуатации

Чтобы сборка и эксплуатация индикатора разряда была безопасной, рекомендуется:

• Использовать паяльник и отвертку с изолированными ручками.
• При пайке применять защитные очки.
• Перед подачей питания проверять отсутствие коротких замыканий.
• Не допускать прикосновений к токоведущим частям схемы.
• Не использовать при нарушенной изоляции соединительных проводов.
• Соблюдать правильную полярность подключения аккумулятора.
• Избегать короткого замыкания клемм аккумулятора.

Варианты модернизации индикатора разряда

Существует несколько направлений усовершенствования базовой схемы индикатора разряда литий-ионного аккумулятора.