Правильная переделка тестера на Li-Ion

Автор: Night-Prizrak
Опубликовано 01.02.2017
Создано при помощи КотоРед.

Переделка тестера с авто отключением

Отучаем тестер жрать кроны, и приучаем к литий-иону.

ТЗ

1) На выходе должно быть строго 9В. Не 7.2, не 8.4 и не что-то «плавающее» между ними, т.к. тестер нормально функционирует и не «врёт» только при питании близком к 9В.
2) Как следствие напряжение должно быть стабильным на всём диапазоне напряжений аккумулятора
3) Система должна быть экономичной. Очень неприятно раз в неделю заряжать аккумулятор. Время автономной работы должно быть как минимум 3 месяца между зарядками.
4) КПД должно быть в разумных пределах… чем больше – тем лучше
5) Габариты системы питания в идеале должны быть такими, чтоб помещались внутрь тестера

   Очертив, таким образом, для себя ТЗ приступил…

   Существуют 2 варианта преобразователей. Step-Up (далее степ-ап) и Step-Down (далее степ-даун). Степ-ап имеет меньший КПД, но зато позволяет использовать всего 1 элемент Li-ion (далее – «банку»). Степ-даун требует как минимум 3 «банки», а кроме этого систему контроля заряда и балансировки батареи. Что, естественно, дороже и занимает намного больше места. Поэтому, очевидно, что будем использовать степ-ап преобразователь. Я делал из того, что было под рукой, но можно использовать множество других. Для подбора микросхемы преобразователя нужно руководствоваться следующими правилами.

1) Преобразователь должен стабильно работать от 2.7-3В источника питания. При этом если преобразователь перестаёт работать при напряжении 2.7В и ниже – это замечательно, убережет банку от глубокого разряда. Если нет – тоже не беда, как будет написано далее - глубокий разряд банке все равно, скорее всего, не грозит
2) Преобразователь должен быть микро мощный. Чем меньше его мощность – тем выше КПД на малых токах. Наш ток потребления до 30 мА, а степ-ап преобразователи максимальный кпд имеют на пределах близких к своей максимальной проектировочной мощности
3) Чем выше частота преобразования, тем меньший используется дроссель. Чем меньше дроссель – тем выше КПД. Вот почему нужно выбирать среди 1 мГц и выше преобразователей.
4) Преобразователь обязательно должен иметь управление Enable/Disable, при этом в «спячке» очень важен минимальный ток потребления. Этот ток должен быть не более 1 мкА, чем меньше – тем лучше.

Я делал из того, что было под рукой. Преобразователь, который я использовал – AP3031
Datasheet найдете в интернете, либо берём тут

https://www.diodes.com/_files/datasheets/AP3031.pdf

Типовая схема включения, которая нужна для наших целей, нарисована на странице 13, Но я продублирую её сюда:

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004810/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/4013/3026626.6/0_f550a_d37fc190_L.jpg[/img][/url]

  Сin и Сout – керамика на 10 мкФ. На вход достаточно от 6.3В, на выход желательно поискать от 16В
  D1 любой диод Шотки с минимально возможным падением. Ампераж и вольтаж нас мало интересуют – хватит любого. А вот падение желательно подобрать в пределах 150-170 милливольт, а лучше ещё меньше. Впрочем, это не очень критично, подробности далее.
  Для L1 я использовал СМД дроссель на 10 микроГенри. Ток дросселя нас тоже мало волнует – любого будет достаточно. Имейте ввиду, чем больше по габаритам будет дроссель, тем меньше КПД. Важно подобрать минимально возможный по габаритам дроссель.
  R1 и R2 – обычный делитель. Формула написана, данные «опорника» в датащите. Впрочем продублирую. Для этой ШИМки это 200 милливольт и 100 наноампер. Делитель подбираем исходя из этих параметров. Ну например так

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004811/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/9094/3026626.6/0_f550b_8a72713f_L.jpg[/img][/url]

  Т.е. верхний резистор 1 мегаом, нижний 22.7 ком, и делитель обеспечит ток 8 микроампер, что нас вполне устроит. Рассчитывайте делитель под имеющиеся резисторы, это просто.
  Чтобы ШИМ начал работу – достаточно подать на ножку CTRL напряжение Enable, т.е. согласно датащиту от 1.8 до 16В

    Собираем степ-ап, проверяем работу.

ВНИМАНИЕ! У степ-ап преобразователей на выходе ВСЕГДА имеется напряжение, близкое к напряжению источника! У Степ-апов НЕТУ защит от перегрузок и КЗ! Не делайте неосторожных движений либо имейте запас ШИМок :D
Если степ-ап собрали и он работает – переходим ко второму этапу.

Скрещивание :D

   Принцип работы авто отключения тестера а так же методы его «обхода» частично описаны тут:

https://elektrosat.ru/news/vechnaja_krona_dlja_multimetra/2015-02-01-876

  Но наиболее полно я опишу это сам.

   Итак. Авто отключение построено на принципе разряда конденсатора через резистор + пороговый компаратор-триггер, который при определенном значении переключается в другое логическое состояние. В тестерах обычно использована такая схема:

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004812/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/5313/3026626.6/0_f550c_8fdf919b_L.jpg[/img][/url]

   То есть пока тестер отключен, задающий конденсатор постоянно подключен к батарее питания. При этом и компаратор, и сам тестер обесточен. Как только мы подаём питание на тестер, одновременно с этим подключаем заряженный конденсатор к разрядно - сравнивающим цепям компаратора. Компаратор на выходе даёт «единичку», тестер включается, все счастливы. При этом времязадающий конденсатор начинает разряд через токоограничивающий разрядный резистор. Как только напряжение на конденсаторе опустится ниже «опорного» значения компаратора – компаратор переключиться в положение «ноль» и тестер выключится.

   Ну и теперь самое главное.

1) Нужно найти разрядный конденсатор. Как правило это не составляет труда – конденсаторов ёмкостью 10-100 микрофарад в тестере 1-3 штуки. Если есть сомнения, просто замеряем время авто отключения, меняем первый попавшийся электролит на в 2 раза меньший и смотрим на изменение времени авто отключения. Если оное сократилось в 2-3 раза – конденсатор найден.
2) Найдя конденсатор, мы должны сделать 2 вещи: вызвонить компаратор и изменить сам конденсатор. Поскольку компаратор рассчитан на напряжение на конденсаторе в 9В, а мы будем питать этот конденсатор от 2.5-4.0В, время работы таймера авто отключения сильно сократится. Поэтому ёмкость этого конденсатора надо увеличить, опытным путём подобрав комфортное время таймера.
3) Найдя компаратор нужно вычислить его выход. Это просто. В моём случае был использован в тестере операционный усилитель Lm358

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004818/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/6424/3026626.6/0_f5512_de98b9d5_L.jpg[/img][/url]

   К выходу той «половинки» компаратора, к которой подключен времязадающий конденсатор, и нужно подключить наш управляющий CTRL вход ШИМ контроллера.
4) Опционально. «Опорное» напряжение компаратора может быть в довольно широком диапазоне. В моём случае это примерно 3.3В. А это значит, что если в схеме у нас использован Шотки с падением в 200 милливольт, то вся система будет работать ТОЛЬКО до напряжения на батарее в 3.5В. После этого компаратор просто не включит тестер, т.к. времязадающий конденсатор будет заряжен до меньшего предела, чем опорное напряжение. Вот тут у нас открываются дополнительные возможности по управлению и контролю. Во-первых, если опорное слишком высокое – его необходимо скорректировать изменением номиналов делителя входа сравнения компаратора до примерно 2.5-3.3В, иначе работать ничего не будет. Во-вторых, изменением делителя мы можем варьировать комфортный предел нижнего порога разряда аккумулятора! Т.е. поставив делитель на 2.5В опорного и имея Шотки с падением в 200 милливольт тестер перестанет работать при напряжении на банке в 2.7В! Что не позволит банке разрядиться до критических пределов.

Итак! Что мы в итоге имеем?

   Авто отключение – работает как прежде и даже лучше (мы сами можем подобрать для себя комфортный режим). А это значит, что экономичность не нарушена. Можно по-прежнему забывать тестер включенным и он не сожрёт батарейку за ночь :D
   Мы НЕ вносим никаких изменений в механику и коммутацию тестера. Не режем дорожки, не ампутируем кнопку HOLD и т.д.
   Схема максимально энергоэфективна. Преобразователь работает ТОЛЬКО тогда, когда работает сам тестер и прекращает работу в момент ручного либо авто отключения тестера по таймеру. В режиме «спячки» ШИМ контроллер кушает сравнимо с током саморазряда лития, т.е. почти нисколько *конечно при условии правильно подобранного контроллера.
   При следовании моим рекомендациям по подбору элементов и повышению КПД можно достичь КПД преобразователя до 50% ! что очень много для микротоков в степ-апе.

Ну и несколько слов и фотографий в роли пост скриптума.

   Банку лития можно использовать абсолютно любую. Я использовал банку от дохлого аккумулятора ноутбука специфической формы на примерно 1500-1800 мАч остаточной ёмкости. Это банка из дополнительного аккумулятора, вставляемого в СД слот. Но вы можете использовать любой имеющийся у вас в наличии Li-Ion элемент. Одного заряда этой банки лично мне хватило на полгода использования тестера.
   Печатной платы я НЕ делал, монтаж «ёжиком», размер элементов позволяет сделать преобразователь «в термоусадке». Батарею подбирал исходя из имеющихся у меня, которая «влезла» без критических изменений корпуса тестера. При желании можно очень быстро вернуть тестер к использованию «кроны» (хотя не представляю кому и зачем такое может потребоваться :D)
   Можно встроить контроллер заряда лития. Есть специализированные платы ценой менее доллара и габаритами с 10 копеек. Мне было лениво, у меня есть «модельная зарядка» и много переделанных на литий устройств, поэтому я просто вывел разъём, который использую во всех своих устройствах. Подключить раз в полгода разъём к зарядке мне не сложно. К тому же, возможно, этот контроллер тоже будет «кушать» от батареи, а это нам совсем ни к чему. Впрочем, если вы захотите интегрировать контроллер заряда банок – позаботьтесь об авто отключении контроллера от банки по окончанию заряда. Рекомендую это сделать распайкой в разъёме. Например, если используемый разъём заряда контроллера USB или micro-USB, то 2 крайних контакта используем для подачи 5В от блока питания, а 2 средний – как переключатель, через них подключаем банку к выходу контроллера заряда, а в штекере блока питания эти 2 средний контакта между собой соединяем. Получим в итоге автоматическое отключение банки от зарядного контроллера сразу же после отсоединения штекера зарядки.

А вот так выглядит мой тестер после переделки.

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004813/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/3901/3026626.6/0_f550d_b1c66659_L.jpg[/img][/url] [url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004814/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/5211/3026626.6/0_f550e_8ff1576c_L.jpg[/img][/url]

Как видим «дизайн» не изменился :D ничего ни откуда не торчит

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004815/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/6712/3026626.6/0_f550f_4eb138de_L.jpg[/img][/url] [url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004816/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/6725/3026626.6/0_f5510_46d62706_L.jpg[/img][/url]

   Аккумулятор вместился в батарейный отсек. Пришлось немного срезать пластиковые «бортики», но это ни на что не повлияет. Разъём «2х-пиновый» - для зарядки батареи.
Под батареей «разместился» преобразователь.

[url=https://fotki.yandex.ru/users/night-prizrak/view/1004817/][img]https://img-fotki.yandex.ru/get/15549/3026626.6/0_f5511_b4d98d96_L.jpg[/img][/url]

А вот и всё «изменение» в тестере – всего лишь припаивание 3х проводков. «+» и «-» на свои места, там же где и была подключена КРОНА, и проводок управления к компаратору.

Спасибо за внимание.

Копирайты.

Эта статья размещена мною на 3х ресурсах (Notebook1.ru Vlab.su Radiokot.ru).
Я разрешаю копирование и размещение этой статьи без моего уведомления и разрешения только при условии полного и неизменного копирования статьи, вместе с первоисточниками, указанием моего авторства и ссылки на ресурс, с которого статья была скопирована. Уважайте чужой бесплатный труд, пожалуйста.
За сим откланиваюсь, Night-Prizrak.

P.S. Для модераторов.

Я не разобрался с загрузкой фоток. Пожалуйста по ссылкам указанным в тексте скачайте фотки и сделайте как принято на вашем ресурсе. Этот текст "для модераторов" после правки темы удалите. Спасибо.

Файлы:

Все вопросы в Форум.