НИКЕЛЕВЫЕ НА ЛИТИЕВЫЕ

В этой статье хотел бы поделиться опытом перевода радиоуправляемых моделей с устаревших никелевых аккумуляторов на более современные, а главное, удобные — литиевые. Все началось с того, что сбылась детская мечта, и мне, уже взрослому мужчине, жена подарила радиоуправляемую модель глиссера (фото 1). Интересная и довольно динамичная игрушка -преодолевала 25-метровый бассейн менее чем за десять секунд. Дальности действия приемопередающей аппаратуры вполне хватает для запусков в акватории бывшей лодочной станции, где я иногда в летние выходные и развлекался.

Но радость длилась недолго, поскольку в игрушке стала быстро падать емкость аккумуляторов. Электродвигатели и электроника глиссера питаются от батареи на 7,2 В, состоящей из шести Ni-Cd элементов, соединенных последовательно. Емкость батареи указывалась равной 700 мА*ч. И если поначалу аккумулятора хватало минут на 20, то, спустя два месяца (при не столь уж частых выездах на акваторию), время сократилось до трех-четырех минут. Выход казался простым: купить шесть новых Ni-Cd АКБ емкостью примерно под 2500 мА*ч и получить более часа работы на одном заряде. Но поход по магазинам показал, что такое улучшение будет мне стоить более 1500 рублей. В то же время литиевые аккумуляторы со схожими характеристиками в популярных интернет-магазинах можно приобрести в три раза дешевле. Я заказал блок из двух АКБ по 2200 мА*ч (фото 2.) за 530 рублей с пересылкой.

Преимущества (и не только в цене) Li-аккумуляторов перед Ni-Cd и Ni-Mg элементами известны. Меня привлекали: хорошая энергоотдача и отсутствие эффекта памяти, бороться с которым с наращиванием емкости АКБ — занятие время затратное.

Но есть у них и недостатки, указанные в таблице. Еще литевые АКБ не любят перегрева, переохлаждения и сырости.

Но с этими недостатками есть способы борьбы.

Пункт 1 приведенных выше требований выполняется применением специального контроллера, нормирующего зарядный ток по величине (обычно это сотни миллиампер) и резко его ограничивает (до нескольких миллиампер — ток поддержания) при достижении Umax. Такие контроллеры обычно снабжаются двухцветным светодиодом — индикатором режима (красный свет показывает, что идет заряд, зеленый означает, что насыщение АКБ окончено на Umax — и контроллер переходит в режим поддержания). Данное устройство можно недорого приобрести в тех же интернет-магазинах либо воспользоваться имеющимися под рукой зарядными адаптерами литиевые АКБ от смартфона или фотоаппарата. Если же нет ни того, ни другого, можно применить обычную универсальную зарядку — «лягушку» (фото 1), также сделав два вывода из корпуса. Только к «лягушке» провода надо припаять не в месте заводских «усов»-проводов, а до переключателя полярности, чтобы ненароком не устроить аккумулятору «переполюсовку».

Пункт 2 требований выполняется довольно простым и изящным техническим решением. Дело в том, что глиссеру, как я упоминал, требуется напряжение 7,2 В; значит, ему необходимы две литиевых АКБ, соединенные последовательно. К зарядке же, для выравнивания потенциала и осуществления самого заряда, аккумуляторы надо соединять параллельно. Так я пришел к идее четырехполюсного разъема. За основу выбрал компьютерный разъем АТХ-12V (рис. 1а). Он компактен, рассчитан на довольно большой ток, имеет удобную фиксацию защелкой и защиту «от дурака» в виде оригинальных направляющих, которые блокируют неправильное подключение.

На рисунке также показаны стандартная «расцветка» проводов и заводская нумерация контактор. Я принял для себя следующую распайку: черные провода — к минусам литиевых батарей, желтые (на рисунке — серые) — к плюсам. Получается, что четные номера контактов принадлежат к первой АКБ, нечетные — ко второй. Розетку разъема отрезал от неисправного компьютерного блока питания, вилку же выпаял из отслужившей свое материнской платы. Одну розетку припаял к плате в точках подключения электродов в зарядном устройстве. Такой монтаж не портит электроды и позволит в случае необходимости использовать зарядник по его прежнему назначению.

Вторую розетку припаял к цепям питания глиссера; вилку — к съемному блоку из двух литиевых АКБ. Распайку сделал по рисунку 16. Для сокращения времени нагрева ламелей АКБ при пайке использовал паяльную кислоту. Все места пайки герметизировал термоклеем. Теперь, если подключить блок АКБ к зарядному устройству, то литиевые батареи уже соединены параллельно (выполняется пункт 2 требований); если вставляем в глиссер — готова последовательная цепь. Устройства коммутации полюсов нет, а его функция выполняется.

Что касается пункта 3, хочу сказать о выборе самих литиевых АКБ. Не используйте Шоп. Они не предназначены для больших токов и могут работать разве что в светодиодных фонарях, а в моделях проработают несколько секунд и начнут выходить из строя (проверено). В данной ситуации нужны Li-Ро элементы, причем на них обязательно должна присутствовать отметка изготовителя о максимальном токе разряда в виде коэффициента от емкости. Для примера на фото 2 приведена батарея из двух АКБ Li-Ро моего глиссера. Отметка 8С означает, что максимальный ток (Imax) восьми соединенных параллельно данных элементов АКБ будет равен 17,6 А (8×2,2 А). Максимальный ток, когда работают оба двигателя, достигает 2,3 А. Значит, батарея будет отдавать энергию в довольно комфортном режиме.

Еще один тип АКБ Li-Ро, который подойдет для моделей — это цилиндрические элементы от портативных шуруповертов и электроотверток (фото 3); возможно использование элементов от батарей ноутбуков больших диагоналей. Там также должна присутствовать кодировка, сообщающая о Imax. Кстати, для продления ресурса АКБ рекомендую выбирать их по Imax, как минимум, с двойным-тройным запасом. Этим вы избавитесь от излишнего нагрева батареи в номинальных режимах энергоотдачи и продлите ее ресурс.

Пункт 4 игнорировать никак нельзя. История появления первых литиевых АКБ в роботизированных японских игрушках напоминает, какой шок был у пользователей, когда устройства взрывались или воспламенялись. Тогда разработчики еще не учитывали, что новый тип АКБ не терпит не только режимов излишнего заряда, но и крайнего истощения. Поэтому сейчас немалая часть литиевых АКБ снабжены либо индивидуальными «платами защиты», либо припаяны к общей плате, рассчитанной на обслуживание нескольких литиевых элементов. Индивидуальные платы честно отрабатывают пункты 1, 3 и 4; общая — еще и пункт 2.

Почему же я не использовал готовую «плату защиты»? Дело в том, что при крайней разрядке «плата защиты» отключит литиевую АКБ от силовой передачи, что привело бы к внезапной остановке глиссера посреди акватории и сильно усложнило бы его изъятие из воды. Температура воды не всегда располагает к купанию, а лодка не всегда есть под рукой. Теперь понятно, что в моем случае требовалась иная сигнализация, которая заранее оповещала бы об истощении заряда, давая возможность подвести глиссер к берегу.

И такая схема нашлась в журнале «Радио» № 11 за 2005 г., автора И. Нечаева (там же приводится рисунок печатной платы). С некоторыми изменениями «под себя» в номиналах резисторов привожу ее на рисунке 2.

Работает индикатор разряда батареи следующим образом: когда напряжение батареи в норме — светодиод не горит, но если напряжение упадет ниже 7 В (это менее 3,5 В на каждом элементе), то начинает мигать. Причем по мере дальнейшего снижения напряжения частота вспышек растет. Налаживание индикатора сводится к подбору резистора R6; им выставляется напряжение, при котором светодиод начнет вспыхивать. На яркость вспышек влияет резистор R3, а на частоту — конденсатор С1. Замеры на стенде показали, что где-то ближе к 5 В светодиод уже светится постоянно, но до этого, конечно, доводить нельзя, поэтому с первыми замеченными вспышками я поворачиваю модель к берегу. Светодиод у меня белого свечения и повышенной яркости. Место его установки выбирать не пришлось: на глиссере уже с завода имелся светодиод над «кабиной пилота» и изначально светил, указывая просто на наличие питающего напряжения.

Включается индикатор разряда со стороны схемы потребления параллельно батарее питания согласно рисунку 3. Все силовые соединения выполнены многожильным проводом не менее 0,75 мм.

Потраченного на модернизацию модели времени не жалею, поскольку очень доволен результатом: почти 45 минут эксплуатации на одном заряде (видимо, производитель несколько преувеличил емкость своей АКБ), к тому же возросла максимальная скорость глиссера на прямых участках (сказывается хорошая энергоотдача батареи).

Собственно на этом статью о переделке электропитания модели глиссера можно было бы считать законченной. Однако, столкнувшись с сухопутными радиоуправляемыми игрушками, понял, что материал стоило бы дополнить.

Однажды ко мне обратился коллега с просьбой посмотреть радиоуправляемую модель джипа своего сына (фото 4). Почему-то игрушка стала ездить очень вяло и не более двух минут. Уже из симптомов стало понятно, что причина тоже в потере емкости батареи. Да и Ni-Cd АКБ оказалась аналогичной по характеристикам глиссерной. И вообще, рассматривая ассортимент радиоуправляемых игрушек китайского производства, приходишь к выводу, что это самый популярный источник питания у их изготовителей — АКБ из шести Ni-Cd элементов по 700 мА*ч. Но одно дело — модель юркой «легковушки» для гладких полов и совсем другое — внедорожник размерами в пару кирпичей, который создан для езды по пересеченной местности. Тут, на мой взгляд, батарея должна иметь большую емкость и отдавать значительные токи.

«Освежив» смазку в редукторах машинки, убедился, что проблема не в ходовой части, и электропривод надежен. Предложил коллеге и получил его согласие на переделку игрушки под «литиевое питание».

На этот раз были найдены две АКБ Li-Ро (от электроотвертки, фото 3) емкостью по 1800 мА*ч, допускающие максимальный ток 7,2 А. Поскольку в батарейный отсек под днищем они не влезали, смонтировал их прямо внутри корпуса игрушки. Это несколько повысило центр тяжести модели, но уменьшало риск попадания влаги на АКБ. Конечно, такой монтаж делает неудобным извлечение батареи для зарядки, но может в этом есть смысл — оградить ребенка от непосредственного контакта с «литиевым пакетом».

Пункт 2 таблицы требований был реализован по схеме, изображенной на рисунке 4а. Две Li-Ро АКБ с помощью сдвоенного двухпозиционного переключателя S1 соединил в схему последовательно-параллельной коммутации. В режиме «заряд» (положение ламелей переключателя соответствуют пунктирным линиям) элементы АКБ-1 и АКБ-2 соединены параллельно — на них происходит взаимное выравнивание напряжений, и в данном режиме элементы готовы заряжаться от того же зарядного устройства с контроллером на 4,2 В. Зарядное устройство изготовлено из универсального адаптера типа «лягушка», который, как упоминалось выше, тоже имеет контроллер заряда, только разъем подключения и гнездо под него в джипе теперь обычные цилиндрические двухполюсные (фото 5).

Зарядив батарею, перевел S1 в положение «разряд». При этом элементы АКБ-1 и АКБ-2 соединяются последовательно и готовы питать нагрузку уже суммированным напряжением. Переключатель выводится на корпус модели в удобном месте. У меня он спрятан под «запасное колесо» (на фото не видно). Конечно, он должен выдерживать рабочие токи при разрядке.

Пункты 1 и 3 таблицы решались как в глиссере. По пункту 4 можно было бы понадеяться на имевшиеся в АКБ «платы защиты», но мне не понравилось, что они срабатывали при падении напряжения примерно до 2,8 В на элементе. Столь низкий порог срабатывания, хоть и бережет «литиевый пакет» от быстрого «умирания», но негативно сказывается на его емкости — такая эксплуатация, что называется, на пределе его возможностей. Поэтому собрал простую схему отсечки питания всего на трех деталях: стабилитрон VD1, резистор R1 и силовой ключ на полевом транзисторе VT1 (рис. 5).

Принцип работы схемы прост: при снижении напряжения питания до 6,2 В (3,1 В на каждом элементе) стабилитрон закрывается. При этом на затворе VТ1 положительный потенциал меняется на отрицательный, и транзистор прерывает питание платы приема-управления. Это в теории. На практике же оказалось, что при подходе к порогу срабатывания из-за значительной емкости АКБ стабилитрон закрывается не сразу, а какое-то время находится в нелинейной области своей вольт-амперной характеристики. По этой причине имеющийся в стабилитроне полевой транзистор тоже закрывается не сразу, а принимает некие промежуточные значения сопротивления в цепи питания приемной аппаратуры. В это время (до одной минуты) модель начинает двигаться рывками и потом останавливается из-за окончательно закрывшегося транзистора.

Я попытался было заставить срабатывать защиту более ступенчато, путем введения неких цепей компарации на логических элементах или операционных усилителях. Однако заказчику так понравилось это «дерганое» поведение модели (говорит, вспомнил свой армейский ЗИЛ с опустевшим баком), что он попросил ничего не менять, только добавить индикатор как у глиссера (рис. 2), дабы ребенок приучался следить за уровнем «топлива». Сделал, как просили (рис. 6). Схему защиты от «переразряда» собрал навесным монтажом, только закрепил на транзисторе VТ1 небольшой радиатор охлаждения, так как, становясь сопротивлением в силовой цепи, он начинал рассеивать много тепла. Светодиод HL1 спрятал в одном из «прожекторов» над кабиной.

Применяемых в данной схеме Li-Ро АКБ хватает на 30 минут «агрессивной» езды по пересеченной местности, либо до 50 минут в спокойном темпе по ровному полу спортзала. В перспективе заказчик планирует приобрести еще литиевые элементы, чтобы, подключив их параллельно АКБ-1 и АКБ-2, увеличить время работы машинки до 1,5 часа. Так же планирует приобретение специального зарядного устройства на более высокие токи, поскольку «лягушка» при зарядке выдает лишь 300 мА. Нетрудно посчитать, что два Li-Ро АКБ по 1800мА*ч, соединенных параллельно, заряжаются не менее 12 часов, что довольно долго и не всегда удобно.

Итогом приведенной модернизации стал довольный ребенок: теперь любимая игрушка энергично набирает скорость даже на небольших подъемах, уверенно преодолевает различные препятствия, а на гладких поверхностях демонстрирует даже элементы «дрифта» (управляемого заноса). И конечно, довольны родители: сынишка уже не просит новую машинку, он их регулярно видит во дворе у друзей — скучная, «вялая» техника на фоне его «модернизированного» вездехода.

Основные требования к эксплуатации литиевых АКБ

P.S. Пока переделывал модель вездехода, подумал о том, как бы перевести на литиевую АКБ схему, требующую большего напряжения (скажем, 11 — 14 В). Так логичным продолжением схемы для джипа (рис. 4) могла бы стать схема коммутации трех и более литиевых элементов (рис. 7). Ее особенность — возможность заряжать элементы, независимо от их числа, все от того же контроллера на 4,2 В. Однако, загромождать конструкцию все возрастающим количеством переключателей и манипулировать ими не совсем практично. И здесь лучше использовать готовые платы контроллеров («платы защиты») (фото 7), которые хоть и потребуют индивидуальное зарядное устройство под конкретную схему, но самостоятельно выполнят все требования таблицы. Некоторые даже имеют встроенную индикацию состояния батареи. Их общепринятое название на данный момент — bms-контроллеры. Кодируются bms-2s, bms-3s, bms-4s, где цифра указывает на количество обслуживаемых литиевых АКБ в готовой последовательной связке.

На примере данной статьи, рассматривающей две различные модели, показано, что почти всегда имеется потребность в адаптации схемы под конкретную конструкцию, условия и требования, а значит, всегда есть место творчеству.

М. ЛАВРУХИН, г. Амурск, Хабаровский край