Переделка аккумуляторной электробритвы на литиевый аккумулятор

Автор: SSMix
Опубликовано 03.10.2021
Создано при помощи КотоРед.

    Большинство аккумуляторных электробритв, особенно выпускавшихся в прошлые годы, работают на Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторах. Срок жизни таких аккумуляторов обычно не превышает 0,5-1 года, после чего они значительно теряют в ёмкости и приобретают большой саморазряд. В результате заряжать электробритву приходится каждый день, а если она полежит без работы несколько дней, то процесс зарядки нужно проводить опять. Особенно это напрягает, если процесс зарядки производится малым током и на него необходимо около 8 часов.
    Замена аккумуляторов решает проблему максимум на 0,5-1 год. Поэтому более радикальным способом восстановления нормальной работоспособности электробритвы является замена никелевых аккумуляторов на один литиевый. У него при тех же габаритах и ёмкость будет больше, и саморазряд минимальный. Проблема лишь в том, что во многих электробритвах установлена электронная плата управления с микроконтроллером, запрограммированным именно под процессы заряда-разряда никелевых аккумуляторов. К тому же, микроэлектродвигатели обычно рассчитаны на 2,4 В (два Ni-Cd элемента), а литиевые аккумуляторы имеют пределы рабочего напряжения до 4,2 В.
    Поэтому, при очередной потере ёмкости имеющейся электробритвы Микма-307

было решено разработать и изготовить новую плату с микроконтроллером под литиевый аккумулятор с сохранением всех функций штатной. Собственно функций не так уж много. Это включение/выключение одной кнопкой. При этом при включении сначала производится замер напряжения на аккумуляторе, высвечивается уровня заряда на индикаторе из 5 светодиодов, и если напряжение на аккумуляторах ниже критического уровня, то происходит выключение питания. В процессе работы индицируется уровень заряда 20%, 50%, 80%, 100% зелёными светодиодами или полный разряд красным светодиодом. При зарядке от сети на индикаторе отображается уровень заряда. При достижении аккумулятором электробритвы полного заряда все светодиоды начинают мигать.
     Разработанную схему можно использовать практически с любыми аккумуляторными электробритвами, единственное, что возможно придётся доработать, это переразвести печатную плату под конкретный корпус. Вот электрическая принципиальная схема новой платы:

     Литиевый аккумулятор проще всего заряжать через USB от обычной зарядки сотового телефона. Поэтому штатная плата сетевого преобразователя вместе с основной платой и старыми никелевыми аккумуляторами убираются. Аккумулятор GB1 Li-Ion на 3,7 В можно использовать от старого сотового телефона. Благо такого добра сейчас полно. В данном случае использован аккумулятор Nokia BL-4S на 860 mAh. Для зарядки использована обычная китайская плата на TP4056. Можно использовать простой вариант платы без дополнительной защиты (DW01A и FS8205A), т.к. в аккумуляторах от мобильников она уже есть, но в данной схеме выбран полный вариант на случай будущей возможной замены аккумулятора без встроенной защиты. Также на этот случай предусмотрен самовосстанавливающийся предохранитель FU1, ведь с литиевыми аккумуляторами, как известно, шутки плохи.
     Сама плата защиты немного доработана – добавлены подтягивающие резисторы по 100 кОм для съёма информации в микроконтроллер о процессе зарядки аккумулятора. По умолчанию ток зарядки на плате задан резистором R3 и составляет 1 А. В данном случае ток зарядки выбран около 0,4 от номинальной ёмкости аккумулятора. Поэтому номинал резистора R3, задающего ток зарядки, увеличен с 1,2 кОм до 3,3 кОм. Сопротивление резистора рассчитывается следующим образом: R3 (кОм) = 1200 / Iзар (мА). Рекомендуется выбирать ток зарядки не более 0,3…0,4 от номинальной ёмкости аккумулятора.
     Микроконтроллер DD1 использован ATtiny24 в корпусе SOIC-14, имеющий 2 кБайт flash-памяти, 128 Байт оперативной и 128 Байт EEPROM. Тактовый генератор - внутренний на 128 кГц. Использован спящий режим PowerDown для минимизации энергопотребления в режиме ожидания. Питание микроконтроллера осуществляется от аккумулятора через фильтр R7, C2, C3, подавляющий выбросы от работы электродвигателя. Напряжение на аккумуляторе контролируется через делитель R3, R4 по линии PA7 (ADC7) микроконтроллера. Линии PA5 и PA6 использованы для контроля процесса зарядки аккумулятора сигналами STDBY и CHRG с платы зарядки. Линии PA0…PA4 управляют светодиодами индикации HL1…HL5. Линия PB0 использована для управления микроэлектродвигателем, вернее понижающим преобразователем. Т.к. сам двигатель низковольтный (2,4В), то подавать напряжение непосредственно от аккумулятора, имеющего рабочее напряжение в пределах до 4,2В не имеет смысла. Можно, конечно погасить излишек напряжения на одном-двух диодах, а коммутировать питания электродвигателя силовым транзистором, но при этом будут значительно меняться обороты при разряде аккумулятора, да и заряд аккумулятора будет расходоваться нерационально. Поэтому был использован понижающий импульсный синхронный преобразователь на микросхеме RT8072 фирмы Richtex. Эта микросхема работоспособна в диапазоне напряжений 2,9…5,5В, имеет встроенный синхронный выпрямитель на MOSFET-транзисторе, регулируемую частоту преобразования от 300 кГц до 2 МГц внешним резистором, КПД до 95% и обеспечивает выходной ток до 5А.

     Частота преобразования в данной схеме задана типовой 1400 кГц, как рекомендовано производителем. При этом номинал резистора R13 составляет 28,7 кОм. Напряжение встроенного источника опорного напряжения RT8072 составляет 0,8 В. Под это напряжение рассчитаны номиналы сопротивлений делителя R16, R17 для получения на выходе напряжения 2,9 В. Это чуть больше, чем напряжение двух свежезаряженных никелевых аккумуляторов (2,8В) для более комфортного бритья. Остальные элементы обвязки выбраны в соответствии с рекомендациями производителя в datasheet. Особое внимание следует уделить выбору силового дросселя L1 на 0,47 мкГн. Для получения высокого КПД преобразования его внутреннее омическое сопротивление должно быть как можно ниже, а рабочий ток как можно выше. В данном случае, поскольку выходной ток не превышает 1,5 А, можно использовать дроссель фирмы Vishay IHLP-4040DZ на 30 А с внутренним сопротивлением 1,53 мОм или IHLP2525CZER на 17А с внутренним сопротивлением 4 мОм.
     Диод VD1 ограничивает выбросы ЭДС самоиндукции при работе электродвигателя, конденсаторы C6, C7, C12, C13 – помехоподавляющие. Разъём X1 предназначен для прошивки микроконтроллера.
Единственная кнопка управления подключена к линии PB2 микроконтроллера через ограничительный резистор R5. Установка этого резистора обязательна. Дело в том, что китайские тактовые кнопки обычно работают не очень долго. Со временем их контакты окисляются и для срабатывания приходится сильнее нажимать на них, подбирая ещё и угол нажатия. В данной схеме программно реализована автоматическая зачистка контактов кнопки импульсом тока смачивания. Обычно длительность импульса составляет несколько десятков миллисекунд, а ток - несколько десятков мА. В данном случае используется импульс тока около 10 мА (определяемый сопротивлением резистора R5 и напряжением аккумулятора) и длительностью 10 мс.
     Вся схема собрана на одной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 53х35 мм. Контур платы аналогичен штатной для совпадения крепёжных отверстий:

     Перечень элементов:

     C1 = 0,47 (1206)
     C2 = 10,0x10В (Танталовый, корпус A)
     C3 = 1,0 (1206)
     C4 = 0,01 (0805)
     C5 = 100,0х6,3В (Танталовый, корпус B)
     C6 = 10,0 (1206)
     C7 = 10,0 (1206)
     C8 = 0,1 (0805)
     C9 = 0,47 (0805)
     C10 = 0,1 (0805)
     C11 = 100,0х6,3В (Танталовый, корпус B)
     C12 = 10,0 (0805)
     C13 = 10,0 (0805)

     DA1 = RT8072GSP (SO-8)

     DD1 = ATtiny24A-SSU (SO-14)

     FU1 = 5А, 30V (Выводной самовосстанавливающийся)

     GB1 = 3,7В (Li-Ion 900mAh Nokia BL-4S)

     HL1-HL3 = Зел. (2х3х4мм)
     HL4 = Жёлт. (2х3х4мм)
     HL5 = Красн. (2х3х4мм)

     L1 = 0,47uH;17,5A (IHLP2525CZERR47M01)

     R1, R2 = 100к (0805)
     R3 = 3М (1206)
     R4 = 1М (1206)
     R5 = 330 (MF-12)
     R6 = 220 (0805)
     R7 = 1к (1206)
     R8 = 30к (0805)
     R9, R10 = 1к (0805)
     R11 = 100к (0805)
     R12 = 220 (1206)
     R13 = 28,7к (1206)
     R14 = 1к (1206)
     R15 = 1к (0805)
     R16 = 20к (0805)
     R17 = 62к (0805)
     R18-R20 = 15к (0805)
     R21 = 1,3к (0805)
     R22 = 3,3к (0805)

     SB1 = Кнопка тактовая (6х6х4мм SMD)

     VD1 = SK56 (SMB/DO-214AA)

     X1 = WSR-6 (Вилка на плату угловая, шаг 2мм)

     Светодиоды применены выводные прямоугольные 2х3х4 мм. HL4 в отличие от штатного – жёлтого цвета. Выводы светодиодов аккуратно отогнуты в разные стороны по бокам для припаивания к контактным площадкам на плате. Для более чёткой границы свечения между светодиодами каждый обёрнут полоской алюминиевого скотча. Вот фото собранной платы (как ни старался, лучше очистить щёткой не получилось):

     Всего имеется 10 уровней индикации напряжения на аккумуляторе в виде шкалы:

     верхн.зел. горит 4,14...4,20В
     мигает 4,07...4,13В

     зел. горит 4,00...4,06В
     мигает 3,93...3,99В

     зел. горит 3,86...3,92В
     мигает 3,79...3,85В

     желт. горит 3,71...3,78В
     мигает 3,64...3,70В

     нижн.кр. горит 3,57...3,63В
     мигает 3,50...3,56В

     все погашены <3,5В

     Промежуточные значения между двумя соседними светодиодами индицируются миганием соответствующего светодиода. При зарядке происходит перебор светодиодами снизу вверх до соответствующего напряжению аккумулятора. Завершение зарядки индицируется миганием всеми светодиодами. Нижний порог напряжения аккумулятора выбран 3,5 В. После выключения электробритвы кнопкой светодиоды уровень заряда аккумулятора индицируется ещё 5 секунд, после чего микроконтроллер уходит в энергосберегающий режим вместе с RT8072.

     Программа для микроконтроллера написана на языке Си в среде WinAVR-20060125. Задействовано чуть более половины flash-памяти, так что есть возможность доработки программы на любой вкус. Исходник прилагается. К сожалению, последняя на данный момент версия популярного программатора PonyProg 2.08d не поддерживает микроконтроллеры серии ATtiny24 (44, 84). Поэтому для прошивки ATtiny24 можно воспользоваться программатором AVRISP MKII (USB) и демо-версией CodeVisionAVR.
     При программировании необходимо прошить следующие фьюз-биты:
     CKSEL[3:0]=0100 (Internal 128 kHz Oscillator),
     SUT[1:0]=10 (Slowly rising power)
     CKDIV8=1 (Divide clock by 8 disabled),
     BODLEVEL[2:0]=110 (Схема BOD Ures<1,8В),
     ("0"-галочки установлены)

     При отсутствии аккумулятора питание микроконтроллера осуществляется от самого программатора.

     Первое включение платы желательно производить без аккумулятора, питая её от регулируемого блока питания с ограничением тока. Электродвигатель пока не подключать. Подать напряжение 4В и выставить ограничение тока в 50…100 мА. Нажать кнопку – должны засветиться 4 светодиода шкалы, на выводах для подключения электродвигателя должно появиться напряжение около 2,9В. При регулировке напряжение в пределах 3,5…4,2 В должна меняться шкала индикации напряжения аккумулятора в соответствии с приведенными выше значениями. Точность зависит от напряжения внутреннего образцового источника в микроконтроллере (ИОН), имеющего разброс в пределах 1,0…1,2В. Если необходимо подкорректировать точность показаний, можно либо подобрать сопротивление резисторов делителя R3, R4, либо внести изменения в текст исходника программы. В 24 строке расположена константа VREF_U, которая задаёт напряжение внутреннего ИОН микроконтроллера в мВ.

     Измеряемое микроконтроллером напряжение прямо пропорционально этой константе. После коррекции значения VREF_U необходимо заново скомпилировать прошивку.
После этого можно увеличить максимальное ограничение тока на БП и подключать микроэлектродвигатель, чтобы проверить работу с ним.
Окончательная сборка:

     Плата зарядки установлена вместо штатного сетевого разъёма. Для универсальности с обратной её стороны припаян ещё дополнительный разъём MiniUSB, который к настоящему времени уже потерял актуальность:

     Вот как это всё выглядит в сборе:

     Дополнительный разъём miniUSB как раз не даёт болтаться плате зарядки в овальном окошке:

     При напряжении аккумулятора 4В потребляемый схемой ток в спящем режиме составляет 23…25 мкА. Из них сам микроконтроллер потребляет 0,1 мкА + 20 мкА схема BOD (сброс при просадке питания ниже 1,8В). Выключенная RT8072GSP потребляет 3..5мкА.
     Такой ток потребления даже меньше тока саморазряда самого литиевого аккумулятора. Теоретически в режиме хранения аккумулятор ёмкостью 860 мАч будет полностью разряжен схемой за 4 года. Полного заряда аккумулятора хватает на 4-5 процессов бритья, при том, что сам аккумулятор уже не первой свежести, и своё уже отработал в телефоне Nokia. Полный заряд происходит примерно за 2 часа.
     Аналогичным образом можно переделать любую аккумуляторную электробритву, работающую от одного-двух Ni-Cd/NiMH аккумуляторов. Требуемое напряжение питания микроэлектродвигателя можно задать номиналами сопротивлений R16, R17 делителя в обвязке DA1 RT8072. Формула для их расчёта приведена прямо на схеме электрической.
     Также данная схема будет полезна и для ремонта электробритв при выходе из строя платы управления, ведь, как правило, достать новую плату по адекватной цене не представляется возможным.

Файлы:
Файлы к статье
RT8072

Все вопросы в Форум.