Простой бюджетный вариант переделки питания РУ игрушек на литий

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о грамотной переделке питания радиоуправляемой машины с никеля на литий с учетом всех предыдущих костылей. Данный способ достаточно простой и достаточно бюджетный, поэтому кому интересно, милости прошу под кат…
Upd, добавлено несколько вариантов защиты электроники РУ модельки


Для начала напомню о преимуществах литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd). В нашем случае сравнение только с NiCd, ибо только они могут отдавать высокий ток. Для примера сравним родную батарею машинки и вариант после переделки:
— высокая плотность энергии. В машинке стоит одна кадмиевая батарея 5S 6V 700mah запасенная энергия 6*0,7=4,2Wh, а в варианте после переделки будут два литиевых аккумулятора 18650 3,7V 3350mah, соединенных последовательно. Запасенная энергия будет равняться соответственно 7,4*3,35=24,8Wh. Как мы видим, запасенная энергия в несколько раз выше, что позволяет работать машинке значительно дольше. Если сравнить лицом к лицу один NiCd и один Li-Ion/Li-Pol аккумулятор, то разница просто огромная
— отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда
— меньшие габариты при одинаковых параметрах с NiCd (в сравнении со сборкой никеля)
— быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
— низкий саморазряд
Из минусов Li-Ion можно отметить только:
— низкая морозостойкость аккумуляторов (боятся отрицательных температур)
— требуется балансировка банок при заряде (в случае 2S и более) и наличие защиты от переразряда

Как видим, преимущества лития налицо, особенно для применения в домашних условиях, поэтому смысл переделки есть.

Коротко о переделываемой РУ модели:

Для тех, кто не видел прошлый обзор, коротко расскажу о машинке. На полицейском жаргоне она называется «линейка» и служит для доставки опергруппы (следственной бригады) к месту преступления, доставки задержанных к ОВД и для выполнения других распоряжений дежурного:

Несмотря на приятный внешний вид снаружи, внутри все уныло, провода тонкие и всё держится на соплях:

Питание стандартное для такого рода устройств – съемная батарея NiCd аккумуляторов 5S 6V 700mah (пять последовательно соединенных пальчиков по 1,2V 700mah):

Аккумулятор крупным планом:

Адаптер самый простой, рассчитанный на 6V 250ma, хотя тут бы не помешал на 500-600ma, ибо стоковым ЗУ аккум заряжается достаточно долго:

При заряде комплектным зарядным устройством нет индикации окончания заряда, да и вкупе с паразитным эффектом памяти использовать стоковые аккумуляторы и ЗУ очень неудобно, а иногда и опасно, особенно детям. Никакой защиты от перезаряда нет:

Питание пульта ДУ от 9V кроны, т.е. 6S АААА – 6 минибаночек по 1,5V каждая:

Итак, с описанием основных элементов и их недостатков разобрались, плавно переходим к доработке.

Итак, дубль два

Я не стал наступать на те же грабли, поэтому сразу определился на схеме из двух последовательно соединенных Li-Ion аккумуляторов с применением платы защиты 2S BMS. Основными минусами данной схемы является неравномерный разряд аккумуляторов в зависимости от их состояния и малая распространенность зарядных устройств под такое соединение, а также возможное повреждение электроники РУ модели от завышенного питающего напряжения. Плата BMS здесь обязательна, т.к. защищает аккумуляторы от переразряда, поэтому рекомендую не пренебрегать ей. А вот ситуация с зарядом на сей день, несколько улучшилась. Существует два простых бюджетных способа заряда литиевой 2S батареи:
1) Дикий колхоз в виде двух платок заряда TP4056 на каждый аккумулятор и два сетевых адаптера/БП для их зарядки. Если в хозяйстве имеются два более-менее нормальных адаптера с выходом 0,5-1А, то вариант вполне пригодный. Нужно будет немного потратиться на платки TP4056, но опять же, заряжать будет не очень удобно. Если в наличие нет сетевых адаптеров/БП, то как говорится, шкурка выделки не стоит и лучше отказаться от данного метода
2) Используем специализированные ЗУ для 2S-3S сборок. На площадках их сейчас предостаточно, стоят в районе $5. При этом в дальнейшем могут пригодиться, например, для одновременной зарядки различных Li-Ion/Li-Pol аккумуляторов, для переделки электроинструмента и т.д.

Необходимые компоненты для доработки:

Как можно заметить, каких-либо дорогих компонентов не требуется:

Главным мозгом системы является 2S BMS плата защиты XWS8232FR4, стоимостью около одного доллара:

Не трудно догадаться, что выполнена она на основе того же контроллера Seiko S8232U и силового мосфета:

Самым дорогим из всех компонентов является ЗУ 2S-3S ImaxRC B3, который стоит около 5 долларов:

Он представляет собой копию известного зарядника SkyRC e3, но с более скромными зарядными характеристиками:

У меня есть оригинал и еще один вариант, но на 4S, о которых я расскажу и сравню лицом к лицу в будущих статьях. К слову, данных копий достаточно много, по крайней мере, я видел 3 штучки, но на мой взгляд, схемотехника там похожая.
Следующим немаловажным звеном являются аккумуляторы. Я применил Li-Ion аккумуляторы Panasonic NCR18650BF из ПБ Xiaomi 10000mah, емкостью 3350mah каждый:

В данной реализации желательно применять современные высокоемкие банки, имеющие заниженный порог разряда в 2,5V. Моделей достаточно много (высокоемкие банки Sanyo/Panasonic/Samsung/LG), все что выше 2800mah обычно идет именно с порогом разряда в 2,5V. Народные Sanyo/Samsung 2600mah не очень подходят к данной платке, т.к. имеют несколько «завышенный» порог разряда в районе 2,75V. Небольшая трудность – подпайка питающих проводов к контактам аккумуляторов. Если заморачиваться с пайкой нет желания, то можно приделать одно/двухслотовый холдер/держатель под ф/ф 18650, например такой.
Для зарядки будущей РУ модельки понадобятся по одному разъему USB (папа и мама), а также 3-х контактный разъемчик для подключения к заряднику. Он часто встречается в процессорных кулерах. У меня в загашнике нашлись эти компоненты, USB «папа» откусил он наихудшего витого зарядного кабеля:

Все эти компоненты стоят копейки и возможно найдутся в чулане.

Тестирование платки:

Пара слов о платке защиты. Подключение очень простое, единственная трудность заключается в том, что ее размеры небольшие, поэтому припаивать провода нужно аккуратно. Схема подключения следующая:

Коротко поясню: зеленым цветом обозначены соединения, отвечающие за работу платы, а синим – места подключения к зарядному устройству. Желательно выходы от ЗУ подпаивать именно к контактам аккумулятора, во избежание дополнительных потерь, но в случае невозможности это сделать, сойдет и вариант подключения к плате защиты.
Данная платка является самой простой, поэтому если требуется аналог, то ищите на интернет-площадках по наименованию «2S bms» или «2S Li-ion Lithium Battery Protection Board»:

Самым важным для меня в платке был порог отключения АКБ. Для этого я сварганил небольшой стенд. Здесь в качестве одного АКБ выступает БП Gophert CPS-3010, обзор на который я недавно делал и обычный Li-Ion аккумулятор. Меняя напряжение на регулируемом блоке питания, можно узнать точный порог срабатывания платки. Напряжение второго АКБ 3,8V:

Если установить на БП выходное напряжение 4,2V, то на выходе получим 8V (4,2V + 3,8V), что можно увидеть на левом скрине. Мультиметр здесь замеряет напряжение на выходе с платы 2S BMS. Если выставить на БП 3,8V, то на выходе получим 7,6V (правый скрин):

Все работает в штатном режиме. Теперь смотрим порог срабатывания защиты. При установке 2,41V платка продолжает работать и на выходе суммарное напряжение с обоих банок (левый скрин), но как-только снижаем до 2,4V – срабатывает защита и платка отключает выходное напряжение (правый скрин):

Итого, порог срабатывания защиты по любому из двух аккумуляторов – 2,4V. Вот почему я писал, что «народные» аккумуляторы на 2600mah здесь не очень подходят. Присутствует блокировка, т.е. платка не «восстанавливается» сама. Ток защиты, к сожалению, не измерял, но он должен быть в районе 3А.

Непосредственная сборка:

Когда все необходимые компоненты в наличии, можно приступать. Первым делом собираем 2S сборку Li-Ion аккумуляторов. Это вариант для тех, кому не подходит вариант с держателями под 18650 банки, например, из-за габаритов. Для этого наклеиваем по две полоски изоленты на каждый АКБ. Это нужно для подстраховки от защиты КЗ, поскольку термоусадка аккумуляторов достаточно тонкая и может повредиться. Учитывая тот факт, что РУ модели обычно подвержены ударам, тряске и т.д. – лишней перестраховка не будет. После этого соединяем аккумуляторы полосками друг к другу и обматываем слоем изоленты (можно использовать другие изоляторы):

Далее можно приступить к пайке контактов. Я уже неоднократно описывал как это делать, поэтому повторяться не буду (будет подробное видео в обзоре переделки шуруповерта). Особого вреда пайка не приносит, главное долго не держать жало паяльника, ну и пользоваться активным флюсом, например паяльной или ортофосфорной кислотой. После нее не забываем протереть место пайки спиртиком!
Далее берем провод, по желанию зачищаем как на фото слева (можно и двумя проводами сделать) и спаиваем воедино соединение аккумуляторов и вход платки. Должно примерно получиться вот так:

Я не буду здесь подробно останавливаться, поскольку вариантов может быть много. Мне ближе вариант, когда аккумуляторы и платка защиты вместе, поскольку потери в проводах минимальны. Далее подпаиваем оставшиеся проводки согласно все той же схеме (см. выше):

На этом сборка 2S батареи завершена, но ведь ее еще нужно как-то заряжать. Для этого воспользуемся готовым недорогим зарядником, представляющим из себя аналог трех линейных зарядных контроллеров с независимым питанием на каждое плечо. Поскольку зарядник может заряжать сборки как 2S, так и 3S (оптимально для шурика), то он может пригодиться в дальнейшем не только для зарядки РУ моделек. Для заряда 2S сборки, нам нужен левый разъем:

В подтверждение замеры полярности:

На холостом ходу напряжение немного прыгает, но при зарядке АКБ, ограничение точно 4,2V на банку.
Для удобного подключения к заряднику, я спаял переходник из разъема USB «папа» и трехконтактного разъема, место пайки заизолировал термоусадкой:

Поскольку проводки хилые, то для повышения механической прочности обмотал все изолентой:

Разъем USB «мама» предназначен для РУ модели. Для этого проделываем соответствующее отверстие и вставляем USB разъем до упора (на конце разъем имеет упоры):

Для более надежной фиксации припаиваем три провода достаточной длины и фискируем термоклеем:

Далее один из важных этапов – соединение получившейся 2S сборки АКБ с контактами зарядника согласно схеме из раздела «Тестирование платки». Здесь следуем пословице — семь раз отмерь, один раз отрежь. Сверяем распиновку всех разъемов и припаиваем провода. Я не буду путать вас своими «соплями», ибо у всех они будут отличаться. Еще раз все проверяем и подключаем. Если все хорошо, укладываем все хозяйство и собираем РУ модельку. Сам аккумулятор оставляем в батарейном отсеке. Для предотвращения бултыхания аккумулятора кладем рядом пупырку или изолон. У меня получилось вот так:

Открываем дверцу машинки и подключаем зарядник. Если АКБ разряжены, то ЗУ начинает заряд, индикаторы при этом красного цвета. Если присутствует разбалансировка и какая-то из двух банок зарядится быстрее, ее заряд прекращается и индикатор меняется на зеленый (правый скрин):

Как только будут заряжены оба аккумулятора, все индикаторы будут зелеными:

По опыту эксплуатации могу сказать следующее, что данная бюджетная зарядка неплоха, ток заряда на плечо около 900ma (при 2S), плюс есть возможность заряжать как 2S, так и 3S сборки. Более подробные характеристики и сравнения с другими моделями, смотрите в будущих обзорах.
Реализация зарядки машинки получилась такая же, как и в прошлом варианте. Для зарядки сдвигаем дверь и подключаем, ничего разбирать не нужно:

Теперь о потребляемых токах.

В ждущем режиме плата машинки кушает 56ma:

Обычная езда – в районе 300ma:

Максимальный ток потребления – около 900ma:

Запускаем – все летает. Данный вариант нисколько не сложнее предыдущего, зато характеристики РУ модельки вырастут. Единственная опасность – сможет ли электроника игрушки переварить 8,4V.
На этом у меня все…

Дополнение 1:

Поскольку не все РУ модельки рассчитаны на высокое напряжение питания, то по желанию можно снизить напряжение отличным понижающим DC-DC преобразователем MP1584EN:

Единственное замечание – подстроечный резистор после регулировки необходимо зафиксировать лаком или клеем. Данный преобразователь имеет компактные размеры, высокий КПД и приличный рабочий ток около 3А. На площадках можно также найти другие варианты преобразователей. Гуглим по «DC-DC step down».

Второй вариант, как правильно заметили в комментариях, заключается в ограничении рабочего тока простым токоограничивающим резистором. Это необходимо для защиты двигателей от чрезмерного тока. Поскольку у меня вроде работает отлично, то я ничего переделывать не стал. Для тех, кому это необходимо, предлагаю небольшой расчет резистора для моего варианта. Для этого необходимо определиться с номиналами:
— U (пит) – напряжение питания со сборки. В нашем случае пусть будет 8V (два аккумулятора)
— U (электр) – напряжение питания электроники машинки (РУ модели). В нашем случае стандартное было 6V (5 последовательных NiCd АКБ )
— U (гасящ) – разница между «новым» питанием и «стандартным» до переделки
— I (раб) – ограничительный ток, т.е. максимальный для машинки. В моем варианте в максимуме машинка кушает 0,9А. Для защиты движков можно установить, предположим, 0,5А
— R (гасящ) – сопротивление токоограничивающего резистора (см. расчет)
— P (гасящ) – мощность резистора (см. расчет)

Итак, рассчитываем все согласно закону Ома: I = U / R
U (гасящ) = U (пит) — U (электр) = 8 – 6 = 2V
R (гасящ) = U (гасящ) / I (раб) = 2 / 0,5 = 4 Ohm
P (гасящ) = I (раб) * I (раб) * R (гасящ) = 0,5 * 0,5 * 4 = 1 W

Исходя из расчетов, нам нужен резистор на 4 Ohm и мощностью не менее 1 W. Лучше взять с запасом на 5 W, чтобы не перегревался: