Baterie LiPo w projektach Arduino
11/10/2019W następnej wersji Bike Pixel chciałbym zintegrować baterie, tak żeby nie trzeba było polegać na zewnętrznym źródle zasilania. W zasadzie mogłoby się to wydawać trywialne, ale tak nie jest. Akumulatory litowo-polimerowe (lub LiPo) mogą być bardzo niebezpieczne. Jeśli są nieprawidłowo naładowane, przeładowane, przegrzane lub źle przechowywane, mogą wybuchnąć. Na szczęście, aby było nam łatwiej dodać baterie LiPo w naszych projektach Arduino mamy kilka modułów, które mogą wykonać za nas część pracy. Jednym z nich jest moduł TP4056.
Specyfikacja modułu TP4056
Głównym elementem modułu jest układ TP4056. Jest to układ z funkcją programowalnej ładowarki liniowego i stałego napięcia dla akumulatorów LiPo z pojedynczym ogniwem. Moduł integruje również dwa wskaźniki LED stanu ładowania oraz dwa dodatkowe chipy odpowiedzialne za ochronę akumulatora. Chociaż istnieją wersje modułu bez tych układów, w tym przypadku użyłem wersji, która posiada te elementy (są one opisane na poniższym obrazku).
Moduł jest odpowiedzialny za proces ładowania. Najpierw zapewnia stały prąd, aż akumulator LiPo osiągnie 4,2V. Następnie stopniowo zmniejsza natężenie ładowania do mementu pełnego naładowania baterii i kończy cykl ładowania, gdy prąd ładowania spada do jednej dziesiątej zaprogramowanej wartości. Obsługuje napięcia wejściowe do 8V, dzięki czemu może być używany bezpośrednio podłączony do portu USB lub zwykłej ładowarki komórkowej do 1.2A.
| R3 [kΩ] | Natężenie ładowania [mA] |
| 10 | 130 |
| 5 | 250 |
| 4 | 300 |
| 3 | 400 |
| 2 | 580 |
| 1.66 | 690 |
| 1.5 | 780 |
| 1.33 | 900 |
| 1.2 | 1000 |
Domyślnie programowane jest ładowanie akumulatorów o natężeniu do 1Ah, chociaż możliwe jest zmniejszenie tej wartości poprzez zastąpienie opornika R3 innym o wyższej wartości. Jeśli używasz baterii o pojemności zbliżonej do 2000 mAh lub wyższej, możesz pozostawić domyślnie używaną rezystancję, w przeciwnym razie konieczna jest jej modyfikacja.
Zazwyczaj baterie LiPo mają maksymalną wartość prądu ładowania i rozładowania wynoszącą około 0,5C, tzn. możemy zastosować prąd ładowania mniejszy niż połowa jej pojemności. Stosowanie wyższych natężeń może skrócić żywotność baterii, a nawet ją zniszczyć. Dlatego też, w zależności od maksymalnego natężenia prądu, jakie możemy zastosować w naszym akumulatorze, konieczna będzie modyfikacja rezystancji R3 o wartość, która dostosowuje się do natężenia podanego w sąsiedniej tabeli.
Dodatkowo moduł gwarantuje również bezpieczeństwo baterii. Układ DW01A został zaprojektowany w celu ochrony przed uszkodzeniem i degradacją baterii LiPo na skutek przeładowania, nadmiernego rozładowania lub skoków napięcia. Z drugiej strony FS8205A jest układem z podwójnym MOSFET-em. Jest on odpowiedzialny za odcięcie zasilania akumulatora po zakończeniu ładowania i zapobieganie jego rozładowaniu, jeśli napięcie spadnie poniżej 2,7V. Niższa wartość może skrócić żywotność baterii, a nawet uczynić go bezużytecznym.
Wymagane części
Oprócz modułu TP4056 potrzebujemy oczywiście baterii LiPo i płyty Arduino lub jej klonu. Dodatkowo, ponieważ płyty Arduino normalnie pracują przy napięciu 5V, konieczne jest dodanie modułu regulującego napięcie, aby zwiększyć napięcie akumulatora LiPo. W moim projekcie użyłem Pololu U3V12F5, który jest dość drogi, ale bardzo mały i jednocześnie bardzo wydajny, oferując wyjście do 1A. Jednakże wystarczy każdy moduł step-up, który konwertuje napięcie akumulatora LiPo na 5V i dostarcza prąd około 500mA. Ponadto, jeśli nie chcemy, aby nasze Arduino było włączone do momentu całkowitego rozładowania baterii, będziemy musieli dodać przełącznik, aby móc ją wyłączyć i włączyć, kiedy będzie nam potrzebna. Następnie zostawiam Wam listę z różnymi linkami do sklepów, gdzie można kupić wszystkie te elementy:
| Część | AliExpress | Amazon.pl |
| Moduł TP4056 | 1,35 zł | 3,96 zł |
| Regulator step-up 5V | 1,62 zł | 7,72 zł |
| LiPo ~2000 mAh | 30,73 zł | 97,71 zł |
| Arduino Nano | (klon) 10,87 zł | 22,59 zł |
| Przycisk SPDT (opcjonalnie) | (20 szt.) 0,56 zł | – |
| Kable AWG 26 (0.13 mm) | (5x10m) 44,86 zł | – |
Jak widać za nieco ponad dwadzieścia złotych, wliczając w to cenę baterii, możemy mieć Arduino pracujące z akumulatorem LiPo. Ale powtarzam: podczas pracy z bateriami LiPo trzeba być bardzo ostrożnym, również przy łączeniu wszystkich elementów.
Schemat połączeń
Na szczęście połączenie jest dość proste. Wystarczy podłączyć baterię i moduł step-up wraz z przełącznikiem do modułu TP4056. Następnie wystarczy podłączyć wyjście modułu step-up do płytki Arduino, jak pokazano na poniższym schemacie.
Dodatkowo, jeśli wgramy na płytę kod, który sprawia, że miga zintegrowana dioda LED, po podłączeniu wszystkich elementów możemy bezpośrednio sprawdzić, czy wszystko zostało połączone poprawnie. W moim przypadku, po przylutowaniu wszystkich elementów otrzymałem coś takiego:
Jak widać, włączenie baterie do naszych projektów jest dość proste i tanie. Jedynym ograniczeniem jest maksymalne natężenie dostarczane przez moduł step-up. W projektach, które wymagają większego natężenia, rozwiązanie z modułem TP4056 może nie być odpowiednie.
Więcej informacji na temat
Jeśli chcesz wiedzieć więcej o każdym z chipów wchodzących w skład modułu TP4056, poniżej zostawiam serię linków z kartami każdego z nich:
