TP4056: литиевая банка в автономном проекте

Метеостанция на балконе отработала два сезона на батарейках — по методике из урока про внешнее питание — и я решился на литиевую банку 18650 из разобранного павербанка: 2000 мА·ч, одна банка вместо четырёх, заряжается прямо на месте. Модули зарядки заказал парой: один с защитой, второй на рубль дешевле без неё. Дешёвый встал на стол, с защитой поехал на балкон — и зиму пережил только балконный. Столошный к весне разрядился ниже двух с половиной вольт: держатель покрылся белым налётом, и банка чудом ожила после долгой зарядки малым током.

Виноват был я, а не банка: модуль без защиты не умеет останавливать разряд, и скетч, молча съедающий микроамперы всю зиму, увёз литий за нижнюю границу. Этот урок — про правильную обвязку банки: модуль TP4056 с четырьмя клеммами, которые разводят зарядку и нагрузку, защитная связка DW01 с парой транзисторов и повышающий MT3608, делающий из 3,7 вольта честные пять.

План такой: разбор клемм и что к ним идёт, механика зарядного цикла, почему модуль без защиты — лотерея, таблица времени работы от банки на 2000 мА·ч и скетч-монитор статусов для живой платы. Безопасности лития посвящён отдельный блок: одна надутая банка стоит дороже всей экономии на защите.

У модуля две пары клемм, и путать их нельзя. B+ и B- идут к банке: плюс к плюсу держателя, минус к минусу — полярность проверяется дважды, потому что переполюсовка литиевой банки — это не погасший светодиод, а искра. OUT+ и OUT- — выход на нагрузку: сюда подключается boost-модуль или потребитель на 3,7 вольта. На модулях с защитой OUT+ ведёт к банке не напрямую, а через пару MOSFET-транзисторов 8205 под управлением микросхемы DW01 — на форумах Arduino это же замечание всплывает регулярно: нагрузку, воткнутую в B+ вместо OUT+, защита уже не видит.

Сам TP4056 — зарядная микросхема, и умеет она ровно зарядку по профилю CC/CV. Старт: если банка глубоко разряжена, идёт щадящий малый ток. Основная фаза: постоянный ток до полного ампера — его задаёт резистор на пине PROG: 1,2 кОм дают 1000 мА, 2 кОм — около 580 мА, 10 кОм — около 130 мА. Финал: банк доросла до 4,2 вольта, микросхема переходит к стабилизации напряжения, ток сам сползает вниз, и при падении до десятой части зарядного отключается. Красный светодиод CHRG горит во время заряда, синий STDBY зажигается по завершении.

Часы заряда считаются легко: 2000 мА·ч при токе 1 А — около двух часов плюс фаза доливки, реально два с половиной. От порта ноутбука, который даст не больше 500 мА, та же банка пойдёт под пять часов: модуль берёт сколько источник может отдать. У части плат стоит джампер, режущий ток вдвое, — для мелких банок это удобнее перепайки резистора PROG. Первую зарядку нового модуля я ставлю на керамическое блюдце и не ухожу из комнаты — правило не параноидальное, а выработанное у людей, видевших надутую банку вживую.

DW01 с парой 8205 — последний рубеж между банкой и бедой, и TP4056 сам эту работу не делает: зарядная микросхема останавливает заряд, но не следит за разрядом. Защитная связка отрубает три сценария: перезаряд выше 4,3 вольта, переразряд ниже 2,4-2,5 и перегрузку по току — короткое замыкание закрывает транзисторы почти мгновенно, умеренную перегрузку — за десятки миллисекунд. После срабатывания защита сама не включается до исчезновения причины: короткое в нагрузке — и модуль молчит, сколько ни перетыкай провода.

Отсюда жёсткое правило покупки: модуль с пометкой protection, где рядом с TP4056 стоят дополнительные SMD-корпусы. Вариант без защиты годится ровно в одном случае — когда вы лично следите за банкой вольтметром каждый день, то есть ни в одном реальном проекте. Моя зимняя история с налётом на держателе обошлась в одну банку; следующая могла бы закончиться хуже. Переполюсовка провода держателя, обрыв, забытая на всё лето нагрузка — всё это ловит защита, и всё это вы рано или поздно устроите.

Банка живёт между 3,0 и 4,2 вольта, а Uno хочет пять — на пин 5V, или семь и выше на Vin, где банке делать нечего: слишком мало. Повышающий MT3608 поднимает входные 2-24 вольта до нужных вам, максимум до 28: вход IN+ садится на OUT+ модуля зарядки, выход триммером выставляется на 5,0-5,2 вольта — и выставляется под нагрузкой, потому что на холостом ходу триммер показывает больше. КПД порядка 85-90 процентов, нагрев на токах макетки символический.

Выход MT3608 я сажаю на пин 5V платы — тот самый вход для уже готовых пяти вольт из урока про внешнее питание. Не в Vin: повышенные из 3,7 вольт упрутся в потолок стабилизатора, и плата заживёт на просадках. Направление преобразования — принципиальная вещь: MT3608 повышает, LM2596 понижает, AMS1117 — линейный понижающий для 3,3-вольтовых датчиков. Перепутать их направления — классика первого года с модулями питания, и я в этой классике отметился сам.

Про нижнюю границу. Банка в 2,4 вольта на отсечке — это всё, что осталось. MT3608 честно попытается поднять и её, но КПД рухнет, и литий просядет глубже — до беды. Честная граница работы автономки — около трёх вольт на банке: ниже защита DW01 отрубит OUT, плата умолчит, и это правильно. Хотите предсказуемого выключения — заведите контроль напряжения на аналоговый вход и выключайтесь сами.

Сколько живёт проект: считайте по среднему току из урока про бюджет тока. Uno с датчиками берёт около 50 мА — таблица выше обещает 14-15 реальных часов от банки на 2000 мА·ч с boost-модулем в цепи. Этого хватает на сутки с запасом, если ночная схема не делает лишней работы; убыстрить счёт под свою нагрузку поможет пересчёт из урока про бюджет — там же про разницу пика и среднего.

Куда ставить модуль на макетке: сборку источника на рейках разбирал урок про модуль питания, а TP4056 добавляет две заботы. Банка сидит в держателе с креплением: болтающийся держатель — это рваный провод, а рваный провод на литиевой банке — искра; от переполюсовки проводов держателя ставят диод на входе boost-модуля — механика из урока про диод и полярность, падение полвольта на нём роли не играет. И пока идёт заряд, нагрузку лучше отключать: параллельный потребитель маскирует момент завершения — зарядник не видит падения тока до порога отсечки, и синий светодиод может не зажечься вовсе.