将电动螺丝刀改用锂电池，第二部分：正确充电

在上次我讲了如何正确改装电动工具的电池。我还说过会介绍充电方面的一些特点，而这次评测的主角是一块DC-DC转换器模块。
感兴趣的话，欢迎进来看看。

一开始我打算只写两部分：改装电池和充电器。但准备评测时，我又想到一个更复杂的主题，于是决定写第三部分。
这一部分我会介绍，如果原装变压器充电器还能工作，或者至少功率变压器还没坏，该如何改装它。

这块转换器小板是很久以前订的，一次买了好几块备用，专门用于这次改装，因为它有一些特别之处。不过先不急着说这些，我们按顺序来。

首先，我把充电器分为三种主要类型：
1. 最简单的类型——变压器、整流桥和几个元件。这类充电器通常随超低价工具附送。
2. 品牌款。本质上还是一样的，但多了简单的“控制电路”，能在充电结束时自动断电。
3. “高级款”——开关电源、充电控制器，有时还能同时给多块电池充电。

第一类工具很少有人拿来改装，因为通常买个新的更简单（也更便宜）；第三类通常改起来也有自己的难点。原则上第三类设备也能改，但这不在本文讨论范围内，因为这类充电器种类太多，每一种都需要单独处理。

这次我要改装的是第二类充电器，品牌款，虽然结构也很简单。不过，这种改装和第一类有很多共通之处，因此对更多读者都有参考价值。

给电池充电，不能只是把它接到电源上，这种尝试通常不会有什么好结果。必须把它接到充电器上。这里就有个小小的认知误区：不少人习惯把给手机、平板和笔记本电脑充电的小电源适配器叫作充电器。其实它们不是充电器，而是电源。

那么，充电器和电源有什么区别呢？
电源的用途是在标称负载电流范围内输出稳定电压。
充电器通常要复杂一些，因为它的输出电压会随负载电流变化，而负载电流本身又受到限制。 不过，充电器里还会有一个在充电结束时切断充电的电路，有时也会带有防止电池反接的保护电路。

最简单的充电器就是一个电源，再串联一个电阻（有时也用白炽灯泡，效果甚至更好）后接上电池。这种电路能限制充电电流，但你也明白，它除此之外什么也做不了。

稍微复杂一点的会再加一个定时器，在设定时间后切断充电。不过这种原理很快就会“杀死”电池。
比如某款廉价电动螺丝刀充电器就是这么做的（照片不是我拍的）。


再往上就是更“智能”的充电器了，不过说到底，它们也没比前一种好多少。
比如下面这张照片，是一款用于给NiCd电池充电的博世原装充电器。


不过，看看如今给锂电池充电的方案后，这些充电器就显得非常简单了。




当然，最后一种方案不太符合我们改造方案的理念，因为我们希望充电器不仅能正确充电，成本也要尽可能低。

中国电动螺丝刀的充电器看起来当然简单得多，不过话说回来，恐怕没多少人愿意从零开始做这样一台设备，尽管这正是我打算在第三部分做的事，而且会做得更规范。


首先，假设我们手头有一台充电器，它不适用于新型电池，但本身是完好的。至少变压器是好的。
正如我前面写的，甚至可以直接用电阻或灯泡，但这可不是“我们的做法”。

典型的廉价充电器，其简化电路大致如下：
变压器、整流桥、晶闸管和控制电路。不过有时会用继电器代替晶闸管，电流也完全不受限制；还可能带有过热保护电路（虽然它也不一定管用）。


不过，我们只需要这套电路里的变压器和整流桥，还得再加一个电容。这样就得到一个固定不变的基础部分，图中用红色标出，后面不会再改动。


整流桥通常就在电路板上，必要时可以直接使用（前提是它完好）。也就是说，基本上可以把电路板上的所有元件都拆下来，只留下四只二极管和电池接线端子，再把电路板本身当作底板使用。
二极管的阴极用一条色环标记。两个带色环的引脚相连处是正极；两个“没有标记”的引脚相连处则是负极。变压器接到另外两个连接点上。


不过，打开充电器后，你也可能看到这样的情况（别在意图里没有变压器）：
这种情况下就得把所有元件都拆下来。


电路板上的二极管可以方便地换成一体式整流桥：变压器接到AC引脚，+和−则接入后级电路。
当然，我也可以讲讲如何选择电容，但我建议别费这个劲，直接装一个和照片里一样的：电容值1000 µF，耐压35 V。电容值也可以更大，比如2200 µF；耐压可以选50 V或63 V。再大的电容值和耐压都没什么意义，只会让电容体积变大。
电容随便选，甚至无牌子的也行。对了，无论整流桥是否完好，都必须装这个电容。


接下来来看充电电路本身，准确地说，是它的几种实现方式。这个部分在最后一张电路图中用矩形框标出。
最简单、同时也算比较靠谱的办法，是使用LM317稳压芯片。


不过，正如我前面写的，充电电流必须限制。没错，很多电路不仅能限流，还能稳定电流，但说到底，电池并不在乎充电电流是1 A、2 A还是3 A，也不在乎充电过程中电流是稳定不变还是有所波动；重要的是充电电流不能超过电池规定的上限。不过，电动螺丝刀用的电池很难被充电电流超过上限，因为它们不仅能承受较大的放电电流，也能承受较大的充电电流。
最简单的办法，是把LM317从稳压模式改成恒流模式；更准确地说，是增加恒流功能。
只要按图所示加一个电阻就能实现。
电阻值很好算：1.25/I（电流，单位A）=R（电阻值，单位Ω）。
例如，需要1.5 A电流，那么1.25/1.5=0.83 Ω。


分压器的电阻值也很容易计算，不过我建议在上方电阻串联一个微调电阻，以便精确设定电压。与电流不同，这里的精度很重要。
可以使用专门的计算器，但它不太方便，所以我直接给出一组数值：对于12.6 V（3节3.7 V电池串联），上方电阻用1.5 kΩ，再串联一个200 Ω微调电阻，下方电阻用13 kΩ。

我特意说明，微调电阻要与上方电阻串联。这样即使发生断路，输出电压也会降到最低。如果下方电阻断路，输出电压就会升到最高。顺便说一句，常见的DC-DC转换器模块恰好相反：微调电阻断路时，输出会达到最高电压。


上面这个电路的优点是简单、便宜，但较大的功耗抵消了这些优势，因为它需要一个相当大的散热器，所以不太适合大电流充电。

更合适的做法是使用降压DC-DC转换器。例如这种：


当然，它按原样使用时不会限制电流，不过如果需要，可以对它进行改造（前提是你手头已经有一块）。
改造很简单，我在之前的一篇评测里已经介绍过。虽然那篇文章最后我是把它用作LED驱动器，但本质上并不影响这里的用法。
需要准备：
1个BC557型晶体管或任意兼容型号（比如大家熟悉的KT361或KT3107）
2个33–200 Ω的电阻，功率不限。
1个用作电流采样电阻的电阻
1个0.1 µF陶瓷电容。

电流采样电阻的计算很简单，和LM317的情况一样，只是数值略有不同。
0.6/I（电流，单位A）=R（电阻值，单位Ω）。
例如，需要1.5 A电流，那么0.6/1.5=0.4 Ω。

附加电路的输出接到LM2596芯片的4脚。如果使用的是其他芯片，就查一下资料，找到标记为FB的引脚并接到那里。

这种接法下，用微调电阻设定输出电压（空载时）。不过，这个电路可能会让电池充电不足，虽然程度不大，但这是简单设计必须付出的代价。要想充满电，需要把电压检测输入端（分压器中的一个电阻）改接到整个电路的输出端。


上面介绍的几种充电方法都能用，但不太方便。
更好的做法是使用一块既能稳定输出电压、又能稳定电流的模块。
例如这种模块。区分合适的模块很简单：产品说明中应标有DC-DC StepDown，板上至少要有两个微调电阻。


除了可以调节输出电流，这块板还有一个额外优点：带有状态指示灯。
1. 上方的LED指示灯表示当前处于限流模式
2. 下方的一对LED指示灯表示充电结束。

电池充电状态指示的实现非常简单：当电流降到初始设定值的1/10以下时，指示灯就会切换。这种工作方式很常见，许多简单的充电器都采用了这种设计。
也就是说，比如我们把充电电流设为1.5 A，接上电池后，当充电电流降到150 mA以下时，其中一个LED会熄灭，另一个则会亮起，以此表示充电过程已经结束。



这块板的电路图也来自上面提到的评测，或许会对你有帮助。


由此可见，这块板很适合给电池充电：先按每节4.2 V设置充电截止电压，再设置充电电流。
如果追求更好的体验，也可以选同款带充电电流和电池电压显示的板子。不过我觉得在这里没这个必要。
我评测过这块板，这张照片就是从那篇评测里截出来的。我还在那篇文章里演示了如何自己制作开关电源。


这个方案的框图大致如下。


我们终于慢慢说到了本文评测的主角。它最吸引我的地方，首先就是价格低廉。我很怀疑板上那颗芯片是不是“正品”，不过只要不让它跑到标称的3 A满载，还是完全能用的。

当初我并没打算评测这块板。虽然一共买了4块，但家里只剩下一块，而且已经留下了我动过手脚的痕迹。
我拆掉了原装LED，又焊上了其他LED。


原始状态下，板上有三个LED：
1. 已充满。
2. 充电中
3. 限流指示。

指示灯的工作方式如下。
“充电中”和“已充满”两个LED的接法保证了它们只会亮一个，因此可以把它们看作一个指示灯。对于没有电流调节功能的板子，指示灯会在充电电流降到电阻设定限流值的1/10以下时切换。在这块评测的板子上，可以任意设置切换电流，我建议设为1/5。

限流指示LED的工作方式略有不同：发生限流时它就会亮，也就是说，在设定电压下，电流试图超过调节器设定值时，它就会亮起。
例如，假设设定电流为1 A、电压为10 V，接上一个在10 V时耗电0.5 A的负载，输出就是10 V、0.5 A。然后换上一个在10 V时会耗电1.5 A的负载，输出就会变成1 A、8 V（假设值）。也就是说，板子会降低电压，直到输出电流不超过设定值，同时点亮LED。


板上还有三个微调电阻：
1. 输出电压调节。
2. 充电结束指示的触发阈值调节。
3. 输出限流阈值调节。

这块板的电路很简单，上面主要有LM2596芯片、78L05稳压器和LM358比较器。
LM2596是PWM控制器。
78L05用于给比较器供电，并提供基准电压。
LM358负责“监测”电流，同时控制指示灯。


电流取样电阻由电路板上的一段铜箔走线充当。
这种测量电流的方法不太理想，因为电流会随电路板温度变化而“漂移”。不过我们并不在意输出电流是否稳定，所以不用太在意这一点。


商品页面上的触点、控制元件和指示灯布局。


带输出电流限制功能的电路板非常适合给电池充电。而带有充电完成指示的电路板，还能带来一些便利，让你知道电池已经充满。
不过，上面这些方法都有一个缺点：充电结束后都无法断开电池，也就是说，不能彻底停止充电过程。
当然，有人会问：那不间断电源里的电池是怎么工作的？这里有个特殊情况：某些类型的电池有“循环充电”和所谓的Standby（浮充）模式。同一块铅酸电池在循环模式下充电至14.3-15 V，而在待机模式下只充到13.8-13.9 V。

如果不把电池断开，就会一直有一小股充电电流流过它。锂电池在这方面算是“幸运”一些，电流会大幅下降，但仍然不建议让它们一直处于这种状态。
镉电池或铅酸电池会开始损坏、发热，仅此而已；而锂电池则有可能起火。没错，锂电池有安全阀，但多一重保护总没坏处。

经常有人问：那保护板呢？它不是能在充电完成后断开电池吗？确实能，而且一定会断开，但它不是在单节电池电压达到4.2 V时动作，而是在4.25-4.35 V时动作，因为对它来说，断开功能主要是保护用途，而不是主要功能。所以极不建议这样做。

正因为如此，我设计了一个简单的小电路，用来在充电完成后断开电池。工作原理很简单（因此也有一些限制）。接上电池后，由于电容C1已经放电，电流会流过它并导通晶体管，晶体管再给继电器供电。继电器将电池接入充电器，之后继电器通过光耦供电，而光耦连接到转换器电路板的充电指示输出端。


于是我设计了一块小电路板，采用通用设计。


接下来就简单了，老办法：把电路板打印到纸上，转印到覆铜板上，再腐蚀。
感兴趣的话，这篇评测详细介绍了制作电路板的过程。

设计电路时，我尽量把它简化，使用尽可能少的元件。
1. 继电器——任意一种线圈电压为12 V的继电器（适用于3-4节电池的方案），触点额定电流至少应为充电电流的2倍。
2. 晶体管——BC846、847，或常见的КТ315、КТ3102及其替代型号。
3. 二极管——任意小功率二极管。
4. 电阻——15-33 kΩ范围内任意型号。
5. 电容——33-47 µF，耐压25-50 V。
6. 光耦——PC817，大多数电源电路板上都有。


电路板焊好了。


我把电路板做成了通用型，可以用场效应晶体管代替继电器，部分元件仍沿用之前的设计。此外，这种方案适用范围更广，可用于装有3、4或5节电池的电钻。
不过，这块电路板有个缺点。晶体管内部有一个“寄生”二极管，如果电池仍接在充电器上，却把充电器从插座上拔掉，电池就会通过充电电路放电。我上面展示的方案也有类似问题，不过电流非常小，约为0.5 mA，电池要完全放空大约需要4000小时。

这里用的元件参数略有不同，不过实际上只有R4和R5的阻值比较关键。R5的阻值至少要比R4小一半。


为接下来制作的电路板挑选元件。很遗憾，晶体管很可能得专门买，因为成品设备里很少用到这种型号。主板上偶尔能找到，但非常少见。




这块板是通用的，可以使用继电器，按前面的电路图制作；也可以使用场效应晶体管。


现在，充电器的框图如下：
变压器，然后是整流桥和滤波电容，接着是DC-DC转换器板，最后是断电板。
我没有标出充电指示端子的极性，因为不同的板子可能不一样。如果有东西不工作，只要把它们对调一下，反转极性即可。


现在开始动手改装。
首先，我切断整流桥输出端、蓄电池连接端子和充电指示LED的线路。目的是将它们与其余电路断开，免得影响“施工”。当然，也可以把除整流二极管外的所有元件都拆下来，效果一样，不过切断线路对我来说更简单。


然后焊上滤波电容。我直接把它焊在二极管引脚上了，也可以像前面演示的那样，另装一个整流桥。
记住，带条纹的引脚是正极，不带条纹的是负极。电容的长引脚是正极。


电路板完全放不进上方，老是顶住上盖，所以只好把它们装在底部。当然，这里也不是一帆风顺：我不得不剪掉一个支柱，还稍微锉了锉塑料。不过无论如何，装在这里宽敞多了。
高度方面甚至还有富余。


接下来连接电路。先焊上导线。我一开始想用更粗的线，后来发现狭小的外壳里根本施展不开，就用了普通的多股线，截面积为0.22 mm²。
在上面的电路板上焊接以下导线：
1. 左侧：转换器板的电源输入，接到整流桥。
2. 右侧：白线和蓝线，是转换器板的输出。如果装了断电板，就接到断电板；如果没有，就接到蓄电池触点。
3. 红线和蓝线：充电过程指示输出。如果装了断电板，就接到断电板；如果没有，就接到指示LED。
4. 黑线和绿线：充电完成指示。如果装了断电板，就接到LED；如果没有，就不接。

目前，下面的电路板只焊接了连接蓄电池的导线。


对了，差点忘了，左边那块板上能看到一个LED。事情是这样的：我一时疏忽，把板上的LED全都拆掉了。但如果把电流限制指示LED拆掉，电流就不会受到限制，所以这个LED必须保留（板上标记为CC/CV），千万注意。

总之，按图所示把所有东西连接起来即可，照片可以点击放大。


然后在外壳底部贴上双面胶。由于电路板底面不太平整，最好用厚一点的胶带。总之，这一步怎么方便怎么来，可以用热熔胶粘，也可以用自攻螺丝固定，甚至钉钉子：）


把电路板粘好，藏好导线。
最后应该留出6根线：2根接电池，2根接整流桥，另外2根接LED。


黄色导线不用管，这是个特例。我手头只有24 V的继电器，所以把它接到了转换器的输入端供电。
准备导线时，尽量始终遵循颜色标记：红色/白色为正极，黑色/蓝色为负极。


把导线接到原装充电器电路板上。具体接法当然因人而异，不过基本原理应该很清楚。尤其要仔细确认电池端子的接线是否正确，最好先用万用表测出正负极；电源输入端也同样要检查。


完成这些操作后，一定要检查并视情况重新设置转换器电路板的输出电压。安装过程中可能会碰乱设置，导致输出不是12.6 V（3节锂电池的电压），而是比如12.79 V。
充电电流也可以适当调整。

充电结束指示的触发阈值不太好调，我建议买带两个微调电阻的电路板，这样更简单。如果买的是带三个微调电阻的电路板，设置时需要在输出端接一个负载，其电流约为设定充电电流的1/10～1/5。也就是说，如果充电电流为1.5 A、电压为12 V，可以用一个51～100 Ω、功率约1～2 W的电阻。

设置好后，组装前先检查一下。
如果一切接对了，接上电池后继电器应该会动作并开始充电。我这里的指示LED此时会熄灭，充电结束后才亮起。如果想反过来，可以把这个LED串联在光耦输入端，这样充电过程中LED就会一直亮着。


虽然评测标题里提到了这块电路板，但文章主要讲的是充电器改装，所以我还是决定测试一下电路板本身。以1 A充电电流运行半小时后，芯片温度约为60℃，因此我认为这块板可以用于最高1.5 A的电流。其实我一开始就有这个猜测：电流达到3 A时，电路板很可能会因过热而损坏。相对安全的最大使用电流是2 A，但电路板装在外壳里，散热不太好，所以我建议使用1.5 A。


好了，把外壳拧好，开始完整测试。不过在此之前，我还得先把电池放电，因为准备上一篇内容时已经把它充满了。
如果接入充电器的是已充满的电池，继电器会动作1.5～2秒，然后再次断开，因为电流很小，不会触发锁定。


好了，接下来聊聊好消息和不太好的消息。
好消息是，改装成功了，充电正常，电路板会断开电池。总之，简单、方便又实用。
不太好的消息是：如果充电过程中切断充电器的电源，再重新接通，充电不会自动开始。
不过还有个更大的问题。准备过程中我用的是上一篇评测里的电路板，但我当时也写过，这块板没有控制器，因此无法彻底锁止。而更“智能”的电路板在遇到异常情况时会完全切断输出；由于输出端同时也是输入端，连接到上面改装过的充电器后，充电器就无法启动。启动需要电压，而电路板启动也需要电压 :(

这个问题有几种解决办法。
1. 在保护板的输入端和输出端之间接一个电阻，让电流能流到端子上，启动充电器。不过保护板会有什么反应，我也不知道；手头没有东西可以测试。
2. 把充电器输入端单独引到电池的一个端子上。锂电池电动工具经常采用这种做法：也就是说，通过一组触点充电，通过另一组触点放电。
3. 干脆不装断电板。
4. 不用自动控制，改用这个电路图里的按钮。

上面是不带保护板的方案，下面则只有继电器、光耦和按钮。原理很简单：把电池插进充电器，按下按钮，开始充电，然后我们就可以去休息了。充电一结束，继电器就会彻底断开电池与充电器的连接。

普通充电器会一直尝试在输出端电压低于某个值时输出电压，但这种改装方案不太方便，而且也不太适合配合继电器使用。不过我还在琢磨，也许能做得更漂亮。


关于如何选择电池充电方案，我有几点建议：
1. 直接用带两个微调电阻的电路板（评测里有介绍）。简单，也足够可靠，但最好别忘了充电器还开着。我觉得放上一两天应该没问题，但不建议出门度假时忘了关充电器。
2. 按评测里的方案改装。比较复杂，有一些限制，但更合理。
3. 使用独立充电器，比如大家熟悉的Imax。
4. 如果你的电池组由两三节电池组成，可以用B3。
这相当简单，也很方便。


5. 找一个电源，稍微改装一下。我在这篇评测里做过类似的改装。


6. 完全自己做一台充电器，具备各种自动关断功能、正确的充电控制和更丰富的状态指示。这是最复杂的方案。不过这会放到评测的第三部分里，到时候很可能也会讲如何把电源改造成充电器。

此外，我经常看到有人问电池组里的电芯是否需要均衡。我个人觉得没必要，因为质量好的配组电芯没那么容易失衡。如果想要简单又可靠，直接买一块带均衡功能的保护板要容易得多。

最近有人问，能不能做一台既能给锂电池充电、又能给镉镍电池充电的充电器。可以是可以，但最好别这么做，因为除了化学体系不同，电池的电压也不同。比如，10节镉镍电池组成的电池组需要14.3-15 V，而3节锂电池组成的电池组需要12.6 V。因此需要设置一个切换开关，很容易忘记切换。只有当镉镍电池的数量是3的倍数时，才有可能做成通用款，比如9、12或15节，这样就能分别按3、4或5节锂电池组的方式充电。但常见的电动工具电池组都是10节电芯。

差不多就这些了，我尽量回答了大家私信里问我的一些问题。此外，这篇评测很可能还会根据大家接下来的提问继续补充。

买来的电路板都能正常工作，但芯片很可能是仿品，所以最好不要让负载超过标称值的50-60%。

我现在还在琢磨，一台从零开始制作的合格充电器应该具备哪些功能。目前的计划是——
1. 装入电池后自动开始充电
2. 断电后恢复供电时重新启动充电
3. 多级充电状态指示
4. 通过电路板上的跳线选择电池数量和类型
5. 微处理器控制

也想听听大家希望在评测第三部分里看到什么内容（可以私信我）。

我本来想用一款专用芯片（好像甚至可以申请免费样品），但它只能工作在线性模式下，会发热 :((((

或许会有用，链接是包含PCB走线文件和原理图的压缩包。不过正如我上面所说，附加电路板很可能无法与那些会彻底断开电池的电路板配合工作。