Wprowadzenie
Witajcie w kolejnym projekcie z mojej warsztatowej serii! Dziś chciałbym zaprezentować własnoręcznie zbudowaną ładowarkę do akumulatorów Li-Ion, która łączy w sobie bezpieczeństwo, precyzję pomiarów i estetyczny wygląd. Projekt powstał z myślą o wszystkich, którzy pracują z akumulatorami 18650 i innymi ogniwami litowo-jonowymi – od hobbystów elektroniki po użytkowników latarek, powerbanków i innych urządzeń. Nie jest to szybka ładowarka a raczej ładowarka "dokładna" nastawiona na ochronę akumulatora i poznanie jego parametrów.
Główne cechy projektu
✅ Bezpieczeństwo przede wszystkim
Monitoring temperatury (DS18B20) z alarmem i automatycznym wyłączeniem
Kontrola napięcia z ochroną przed przeładowaniem (>4.21V)
Detekcja stanu ogniwa – automatyczne wykrywanie podłączenia akumulatora
Zabezpieczenie przeciwzwarciowe przez układ MOSFET
✅ Precyzyjne pomiary
Napięcie: pomiar z dokładnością do 0.01V (INA219)
Prąd: monitoring od 0 do 2000mA (Dla akumulatora ograniczony do 1 A)
Pojemność: akumulacja ładunku w mAh w czasie rzeczywistym
Moc: obliczanie mocy dostarczanej do akumulatora (opcja dla pracy buforowej akumulatora)
Czas: pełny czasomierz ładowania
✅ Intuicyjny interfejs
Kolorowy wyświetlacz TFT 2.8" (320×240)
Graficzny wskaźnik naładowania z kolorową skalą
Czytelne wyświetlanie wszystkich parametrów
Ekran podsumowania z pełnymi wynikami po zakończeniu
Parametry techniczne
🛠️ Hardware:
Mikrokontroler: ESP32 (WROOM-32)
Wyświetlacz: ST7789 SPI TFT (2.8 cala, 320×240)
Moduł ładowania: TP4056 z ochroną
Czujnik prądu/napięcia: INA219 (I²C)
Czujnik temperatury: DS18B20 (1-Wire)
Sterowanie zasilaniem: MOSFET N-kanałowy + P-kanałowy
Zasilanie: 5V DC (USB-C) zabezpieczone bezpiecznikiem polimerowym 2A.
Brzęczyk: sygnalizator dźwiękowy (opcjonalnie)
⚡ Specyfikacja ładowania:
Napięcie ładowania: 4.21V ±1%
Prąd ładowania: regulowany przez TP4056 (domyślnie 1A)
Napięcie akumulatora: 2.8V – 4.21V (wykrywanie od 2.0V)
Próg zakończenia: 4.20V + prąd <50mA
Temperatura pracy: 5°C – 40°C (alarm poza zakresem)
Temperatura krytyczna: >50°C (natychmiastowe wyłączenie)
📊 Możliwości pomiarowe:
Rozdzielczość napięcia: 0.01V
Rozdzielczość prądu: 1mA
Rozdzielczość temperatury: 0.1°C
Pomiar pojemności: 0-9999mAh
Czas ładowania: do 99 godzin 59 minut
Zasada działania
🔋 Proces Ładowania:
Wykrycie akumulatora – sprawdzenie czy ogniwo jest podłączone (napięcie >2.0V)
Test bezpieczeństwa – weryfikacja temperatury i stanu ogniwa
Faza CC (Constant Current) – ładowanie stałym prądem do osiągnięcia 4.20V
Faza CV (Constant Voltage) – stabilizacja napięcia przy malejącym prądzie
Zakończenie – automatyczne wyłączenie przy prądzie <50mA i napięciu ≥4.20V
📈 Monitoring w czasie rzeczywistym:
Aktualizacja parametrów co 1.5 sekundy na wyświetlaczu
Obliczanie dostarczonego ładunku (całkowanie prądu w czasie)
Wykrywanie anomalii i automatyczne reakcje
🚨 System alarmowy:
Czerwony alarm – przekroczenie dopuszczalnych parametrów
Miganie wskaźników – wizualna informacja o stanie alarmowym
Sygnał dźwiękowy – przy przekroczeniu temperatur krytycznych
Automatyczne wyłączenie – w przypadku zagrożenia
Interfejs użytkownika
🎨 Przykładowy ekran główny podczas ładowania:
🏁 Przykładowy ekran końcowy po naładowaniu:
Po zakończeniu ładowania pojawia się ekran podsumowania:
Komunikat "ŁADOWANIE ZAKOŃCZONE"
Napięcie końcowe (np. 4.21V)
Całkowity ładunek dostarczony (w mAh)
Czas trwania ładowania
Instrukcja "WYJMIJ AKUMULATOR"
Zastosowania praktyczne
🔧 Dla Hobbystów Elektroniki:
Testowanie i sortowanie używanych ogniw 18650
Pomiar rzeczywistej pojemności akumulatorów
Diagnostyka stanu zdrowia ogniw Li-Ion
⚡ Dla Użytkowników:
Bezpieczne ładowanie akumulatorów do latarek, powerbanków
Monitoring procesu ładowania z pełną informacją
Przechowywanie danych o historii ładowania
🔬 Dla edukacji:
Praktyczna demonstracja ładowania CC/CV
Wizualizacja procesu akumulacji ładunku
Nauka o bezpieczeństwie ogniw Li-Ion
Bezpieczeństwo – najważniejszy aspekt
🧪 Certyfikowane Komponenty:
TP4056 – moduł z zabezpieczeniem przed przeładowaniem, nadmiernym prądem i zwarcie
DS18B20 – precyzyjny pomiar temperatury ogniwa
INA219 – dokładny pomiar prądu i napięcia
🛡️ Wielopoziomowa ochrona:
Warstwa sprzętowa – zabezpieczenia w module TP4056
Warstwa programowa – monitoring w czasie rzeczywistym
Warstwa użytkownika – czytelne komunikaty i alarmy
🛡️ Zaawansowany system zabezpieczeń w praktyce: Serce ładowarki ESP32
Podczas gdy większość prostych ładowarek polega na podstawowych układach zabezpieczających, ten projekt idzie o krok dalej. Łączy sprzętową ochronę z inteligentnym, programowym nadzorem w czasie rzeczywistym, tworząc wielowarstwowy system bezpieczeństwa.
Warstwa 1: Inteligentny nadzór mikrokontrolera (mózg systemu)
To serce zabezpieczeń. ESP32 nie tylko wyświetla dane, ale aktywnie monitoruje i kontroluje cały proces za pomocą precyzyjnych czujników:
Czujnik INA219: Co 100 milisekund mierzy dokładne napięcie na akumulatorze (z rozdzielczością do 0.01V) oraz płynący prąd. Dzięki temu algorytm może precyzyjnie wykryć koniec ładowania (warunek: napięcie ≥4.20V ORAZ prąd <50mA), co jest znacznie pewniejsze niż poleganie tylko na module ładowania.
Bezwzględne limity programowe: Nawet jeśli inne elementy zawiodą, oprogramowanie ma zapisane "sztywne" granice. Ładowanie zostanie natychmiast wstrzymane, jeśli napięcie przekroczy 4.42V lub temperatura wyjdzie poza bezpieczny zakres.
Kluczowa innowacja: Pomiar temperatury "z pierwszej ręki"
Jednym z filarów tego systemu jest unikalne zastosowanie czujnika DS18B20. Nie mierzy on ogólnej temperatury "w ładowarce", lecz jest wbudowany w pojemnik na akumulator i dotyka bezpośrednio jego metalowej obudowy. Daje to ogromną przewagę:
Natychmiastowa reakcja: Czuwa na samym źródle ciepła. Gdy akumulator zaczyna się grzać z powodu problemów wewnętrznych, nadmiernego prądu lub złego kontaktu, czujnik wykrywa to w ciągu sekund.
Realne dane: Mierzy rzeczywistą temperaturę ogniwa, a nie przybliżoną wartość z otoczenia.
Trzystopniowa reakcja: Algorytm reaguje progresywnie:
>40°C: Włącza alarm wizualny (migające pole na wyświetlaczu) i wstrzymuje ładowanie do ochłodzenia.
<5°C: Blokuje start ładowania, chroniąc baterię przed uszkodzeniem.
>50°C (Temperatura Krytyczna): Natychmiast, nieodwracalnie odcina zasilanie (przez MOSFET) i włącza sygnał dźwiękowy. Jest to stan awaryjny.
Warstwa 2: Kontrola zasilania – MOSFET jako strażnik
MOSFET w tym projekcie to nie tylko przełącznik, to fizyczny strażnik kontrolowany przez ESP32. Gdy algorytm wykryje jakąkolwiek nieprawidłowość (przegrzanie, przeładowanie, wyjęcie baterii), wysyła sygnał, który fizycznie odcina napięcie ładowania od modułu TP4056. To "twarde" wyłączenie stanowi ostatnią linię obrony na poziomie obwodu zasilania. Gdyby jednak coś "poszło nie tak" mamy jeszcze bezpiecznik polimerowy 2A w linii zasilającej +5V.
Warstwa 3: Podstawowa ochrona poprzez moduł TP4056
Moduł ładowarki TP4056 stanowi bazową, niezależną warstwę. Zawiera własny układ zabezpieczający (DW01), który chroni przed zwarciem, głębokim rozładowaniem i przeładowaniem. Działa nawet gdyby ESP32 uległ resetowi, działając jako sprawdzony fundament bezpieczeństwa.
Podsumowanie: Projektowana ochrona
Bezpieczeństwo tej ładowarki nie jest przypadkowe, lecz zaprojektowane i wielowarstwowe:
Moduł TP4056 stanowi podstawową, "głupią" osłonę.
ESP32 z czujnikami to "inteligentny nadzorca" analizujący sytuację w czasie rzeczywistym.
MOSFET jest "strażnikiem", który na rozkaz nadzorcy fizycznie rozłącza obwód.
Czujnik na obudowie baterii to "zaufany informator", dostarczający kluczowych danych o samym ogniwie.
Dzięki temu podejściu projekt nie tylko ładuje, ale aktywnie chroni cenny akumulator – i otoczenie – przed skutkiem potencjalnych awarii czy ekstremalnych warunków.
Jeżeli nie są spełnione wszystkie warunki bezpieczeństwa napięcie nie zostanie podane na akumulator.
Dlaczego warto zbudować?
Wiedza – zrozumienie procesu ładowania Li-Ion od podszewki
Oszczędność – koszt budowy znacznie niższy niż zakup komercyjnego testera
Dokładność – pomiary lepsze niż w wielu gotowych ładowarkach
Satysfakcja – urządzenie wykonane własnoręcznie, dokładnie pod swoje potrzeby
Rozszerzalność – możliwość dodania nowych funkcji (np. logowanie danych, WiFi)
Podsumowanie
Ta ładowarka to więcej niż tylko urządzenie do napełniania akumulatorów – to pełnoprawny stacja testowa i monitorująca. Dzięki niej możesz:
Bezpiecznie ładować ogniwa Li-Ion
Precyzyjnie mierzyć ich parametry
Diagnozować stan techniczny akumulatorów
Uczyć się o elektronice i technologii baterii
Projekt jest stale rozwijany – aktualna wersja 3.9.3 wprowadza ulepszone algorytmy wykrywania końca ładowania i bardziej intuicyjny interfejs.
Na koniec trochę techniki. Poniżej szkic układu sterowania ON/OFF zrealizowany na 2 MOSFET-ach:
Tak wyglądał prototyp urządzenia:
📌 Tabela Połączeń Pinów (Pełna)
Poniżej znajduje się zestawienie połączeń pomiędzy pinami ESP32 a poszczególnymi modułami:
1. 🖥️ Wyświetlacz TFT (ST7789) – Interfejs SPI
2. ⚡ Monitoring Prądu i Napięcia (INA219) – Interfejs I2C
3. 🌡️ Czujnik Temperatury (DS18B20)
4. 🔋 Status Modułu Ładowania (TP4056)
5. 🔊 Sygnalizacja i Dodatki
| GPIO 32 | MOSFET | MOSFET_PIN | Sterowanie ON/OFF TP4056 |
✍️ Autor: Robert HF5WWL
📅 Data projektu: Grudzień 2025 r.
📍 Lokalizacja: Wołomin, POLSKA
📁 Kod źródłowy: Pytaj poprzez e-mail (hf5wwl@gmail.com) lub komentarz.
🛠️ Poziom trudności: Średnio-zaawansowany
Uwaga: Praca z akumulatorami Li-Ion zawsze wiąże się z pewnym ryzykiem. Zalecana jest ostrożność i znajomość zasad bezpieczeństwa. Autor nie ponosi odpowiedzialności za jakiekolwiek szkody wynikłe z realizacji projektu.
💬 Masz pytania? Chcesz podzielić się swoją wersją? Zapraszam do komentowania!
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz
Zastanów się, czy to co tu napiszesz było by mile widziane na Twojej stornie www lub na Twoim blogu...
Niestosowne komentarze będą cenzurowane.