Альтернативные источники питания для Canon PowerShot S400


Внимание! В статье описывается самостоятельное изготовление составных частей к цифровой фотокамере и доработка самой фотокамеры, а также работа с литиево-ионными аккумуляторами. Необходимо понимать, что следуя приведенным рекомендациям, вы в лучшем случае теряете гарантию производителя камеры, в худшем — выводите камеру из строя, а в наихудшем из возможных — устраиваете пожар. Как минимум, крайне не рекомендуется выполнять описанные действия в качестве своего первого опыта доработки электроники промышленного производства.

Автор не несет никакой ответственности за любой прямой или косвенный ущерб от выполнения описанных в статье действий. Повторяя их, вы действуете на свой страх и риск.

Разглядывание надписи «Change the battery pack» посреди богатой экспозиции танкового музея в Кубинке весьма эффективно подводит к мысли, что для цифровой фотокамеры требуются запасные источники питания. Рассудив, что приобрести штатный литиево-ионный аккумулятор Canon NB-1LH (840 мА·ч, 200 р. за изделие и еще 1200 р. за надпись «Canon» на нем) никогда не поздно, автор решил изучить возможность самостоятельного изготовления источников питания. В результате появились на свет кассета для трех батареек ААА и литиево-ионный аккумулятор на базе элемента ICP103448 емкостью 1450 мА·ч.

Рис.1. Кассета, самодельный аккумулятор и штатный аккумулятор

Аккумулятор NB-1LH используется во многих (если не во всех) камерах Canon Digital iXUS, поэтому все описанное будет по-видимому справедливо и для других аппаратов серии.

PowerShot S400 как потребитель электроэнергии

Устройство и характеристики Li-ion аккумуляторов хорошо известны: аккумулятор состоит из Li-ion элемента, схемы PCM (protective cirquit module) и термистора  с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). В процессе разряда напряжение на аккумуляторе снижается с 4,2 до 3,0…3,5 В, дальнейший разряд не производится из-за опасности деградации элемента. Любое устройство с питанием от Li-ion аккумулятора должно включать преобразователь DC-DC, выдающий требуемые постоянные напряжения питания при меняющемся входном напряжении. Чем меньше входное напряжение, тем больше потребляемый ток.

Замер потребляемого аппаратом тока при напряжении питания 4,1 В дал следующие результаты:

Режим просмотра:    
Просмотр картинки 0,20 А  
Смена картинки в режиме просмотра 0,35 А  
Режим съемки с выключенным дисплеем:    
Ожидание 0,08 А  
Работа трансфокатора 0,25 А  
Изменение экспозиции после трансфокатора 0,55 А  
Снимок без вспышки  0,70 А при замере экспозиции
  0,40 А при записи снимка
Зарядка вспышки 0,50 А  
Режим съемки с включенным дисплеем:    
Ожидание с «черным» дисплеем 0,25 А  
Ожидание с картинкой на дисплее 0,50 А  
Работа трансфокатора 0,70 А  
Изменение экспозиции после трансфокатора 1,05 А  
Снимок без вспышки 0,90 А при замере экспозиции
  0,60 А при записи снимка
Зарядка вспышки 1,05 А  

Все эти токи измерены при практически полностью заряженном аккумуляторе (4,1 В). При снижении напряжения питания токи возрастают быстрее, чем обратно пропорционально: помимо роста тока, падает КПД преобразователя. В частности, при напряжении около 3 В аппарат потреблял на пике более 1,5 А.

При падении напряжения на аккумуляторе до 3,5 В на дисплее появляется предупреждающий символ. При напряжении 3,4 В аппарат высвечивает «Change the battery pack».

Интересный эффект дало отключение цепи терморезистора аккумулятора (средний контакт). При этом полностью отключается логика контроля напряжения батареи. Аппарат сохраняет работоспособность до напряжения 2,5 В (видимо, предел преобразователя), при этом никаких предупреждающих пиктограмм и надписей не выводится. Если напряжение падает ниже, аппарат отключается без предупреждения. Включается аппарат при напряжении не менее 3,5 В, при этом в течение секунды потребляет ток 0,2 А и только потом зажигается светодиод «Power on».

Такое не совсем штатное поведение означает две вещи. Первое — нужно следить за чистотой среднего контакта аккумулятора. Его отсоединение никак не скажется на работе аппарата, но разрядит аккумулятор до 2,5 В, при том что производители обычно указывают минимально допустимое напряжение элемента 2,75—2,8 В, дальше возможен выход из строя. Второе — появляется возможность питать аппарат от батарей с меньшими рабочими напряжениями, например от пальчиковых батареек или NiMH-аккумуляторов. Снижение их напряжения на пиковых токах нагрузки будет скомпенсировано большими возможностями преобразователя.

По результатам измерения была сделана первая конструкция.

Кассета для элементов ААА

Материал кассеты — пластмасса от корпуса неисправной 3,5″ дискеты. Клей — секундный, на базе циакрина («СуперМомент», «SuperGlue» и т. д.). Корпус кассеты состоит из шести деталей.

Рис. 2. Детали корпуса кассеты

Так как сборка все равно включает точную подгонку, размеры деталей не приводятся. Рекомендуется следующая последовательность изготовления. Из участка корпуса дискеты с наименьшей толщиной (обычно — участок под наклейкой) вырезаются две боковые стенки с длиной, как у NB-1LH, и шириной на 1 мм меньше, чем диаметр элемента ААА. Вырезаются две торцевые стенки с наибольшей возможной толщиной, длиной на 1 мм меньше, чем ширина NB-1LH, и той же шириной, как и у боковых. Вырезаются две планки днища с длиной чуть больше, чем у боковых стенок, и шириной 4 мм. Длина торцевых стенок точно подгоняется под ширину трех сложенных вместе элементов ААА. Боковые стенки должны без зазора ложиться на элементы и на торцы двух других стенок.

Прямоугольный каркас склеивается. В него укладываются три элемента, в промежутки между ними, плашмя — узкие планки днища, под них размечаются по месту и вырезаются пазы в торцевых стенках. Планки вклеиваются в пазы и обрезаются по длине заподлицо. Все швы усиливаются каплями клея.

С планок днища с внутренней стороны кассеты снимаются фаски до тех пор, пока все три элемента не будут укладываться в кассету, равномерно выступая на 0,5 мм сверху и снизу. Такая последовательность сборки гарантирует, что толщина всей кассеты с элементами будет определяться только диаметром элемента, а ширина будет максимум на 0,5 мм больше, чем у NB1-LH. Несмотря на несерьезный вид кассеты, ее прочность вполне достаточна.

Рис. 3. Пластмассовый корпус кассеты собран

Контакты кассеты изготавливаются из любого упругого металла, автор использовал пружинящую сталь 0,15 мм. К тем контактам, через которые будет питаться камера, припаиваются полосы медной фольги длиной чуть больше половины длины кассеты. В камере они будут свободно лежать на элементах. Остальные контакты соединяются проводом (на всякий случай — сталь без проблем паяется с флюсом ЛТИ-120, лежащим в любом магазине «Свет»). Контакты крепятся к корпусу гранулированным термоклеем (циакрин при склеивании стали с пластмассой себя не оправдал). Следует обратить внимание на схему соединения контактов и соответственно полярность батареек: они укладываются не в традиционном шахматном порядке, а одна в одну сторону, две — в другую.

Рис. 4. Кассета собрана

Толщина NB-1LH у контактов близка, но все же чуть меньше, чем у элемента ААА с лежащей на нем фольгой. Кассета вставляется в батарейный отсек с довольно сильным трением. Для избежания этого нужно уменьшить на 0,5—0,7 мм высоту двух выступов в батарейном отсеке камеры, защищающих аккумулятор от установки вверх ногами. Это без труда выполняется плоским напильником без разборки камеры (но сопровождается душевными терзаниями от потери гарантии). С этими же выступами связана и необычно большая длина контактов кассеты: если их края зайдут за выступы, при вытаскивании кассеты контакты будут смяты.

Перед первой установкой рекомендуется привязать к кассете нить для вытаскивания и дважды проверить полярность элементов и правильность установки кассеты: в отличие от штатного аккумулятора, она не имеет защиты от установки вверх ногами, при этом контакты будут закорочены экраном батарейного отсека.

Испытания показали, что хотя возможность запитать камеру батарейками из ближайшего ларька успешно достигнута, их возможности по сравнению со штатным аккумулятором оставляют желать лучшего. Комплект щелочных батареек Sony проработал около 30 минут с 20—30 снимками, после этого отдаваемой мощности перестало хватать для работы механики камеры (притом, что с NB-1LH в тех же условиях достигалось 120 снимков). В режиме просмотра батарейки проработали больше часа и работают до сих пор. Причина, по-видимому,  в том, что при разрядке быстро растет внутреннее сопротивление батареек и теряется нагрузочная способность: они перестают отдавать требуемый в режиме съемки ток. С дешевыми солевыми батарейками Hi-Watt механика не работала с самого начала.

Использование NiMH-аккумуляторов GP 700 мА·ч показало примерно схожие со щелочными батарейками результаты: 30—40 снимков за час, затем работа только на просмотре. Все-таки потребляемые камерой токи великоваты для элементов ААА. Поправить ситуацию могли бы сильноточные NiMH-аккумуляторы, например, элементы из батареи для мобильного телефона, или применяемые в авиамоделизме мощные аккумуляторы Sanyo, или хотя бы никель-кадмиевые.  Однако, раз уж речь пошла об аккумуляторах — значительно интереснее было бы использовать литиево-ионный элемент.

Li-ion аккумулятор емкостью 1450 мА·ч.

Поиск по имеющимся в продаже Li-ion элементам подходящих габаритов навел на широко используемый при ремонте батарей ноутбуков элемент ICP103448SR с приемлемыми размерами, отличной емкостью 1450 мА·ч (у разных производителей цифры варьируются от 1300 до 1600 мА·ч) и вполне разумной ценой 180 р. в розницу, см. http://www.li-ion.ru/battery.php

Рис. 5. Элемент ICP103448SR

Внимание! Неправильное использование Li-ion элементов может привести к возгоранию или взрыву при перезарядке или перегреве. В режиме короткого замыкания элемент способен отдать ток до сотни ампер (что он и проделал у автора, испарив 2 мм стали бритвенного лезвия при зачистке контактов) и разогреться до опасных температур. В просвещенной Европе отдельные элементы вне батарей просто запрещены к продаже в розницу, дабы избежать неоправданных потерь среди технически одаренных энтузиастов. Соблюдайте осторожность.

Применение такого элемента выглядит очень и очень привлекательно. Во-первых, почти вдвое увеличивается емкость. Во-вторых, в восемь раз снижается себестоимость. В третьих, сохраняется возможность использования штатного зарядного устройства. Четвертое преимущество не столь очевидно и требует технического отступления.

Характеристики аккумуляторов обычно сильно зависят от относительного тока разряда, численно равного току разряда в мА, деленного на емкость аккумулятора в мА·ч. За единицу относительного тока принимается 1C, это ток, при котором номинальная емкость израсходовалась бы за 1 час. Эта величина объективно отражает интенсивность химической реакции в элементе аккумулятора.

Для получения реальной картины расходования номинальной емкости рекомендуется ознакомиться с документом компании LG http://www.bktsi.com/documents/LG_Li-ion.pdf (по-видимому, LG и являлась разработчиком элемента 103448).

Рис.6 Зависимости емкости от разрядного тока и температуры

На взятых из этого документа графиках — характеристики элемента ICP633065, 1000 мА·ч, по емкости и габаритам нечто среднее между элементом NB-1LH и ICP103448. На левом графике видно, что не так уж Li-ion элементы и любят ток разряда в 1С, как это принято считать (красная сплошная линия): по сравнению с током 0,5С (синяя линия) емкость падает вполне ощутимо. А на правом графике — ахиллесова пята Li-ion аккумуляторов: катастрофическое падение емкости при минусовых температурах. При температуре  −10 градусов аккумулятор еще более-менее держит емкость при токе 0,5С (синяя линия), при 1С (красная) уже наблюдается провал. Здесь самое время вспомнить, что штатный NB-1LH на многих режимах камеры работает при токе, близком к 1С, на некоторых − и при большем, а русская зима есть русская зима. Аккумулятор же на базе 103448 за счет большей емкости будет работать при почти вдвое меньшем относительном токе разряда, не заходя в 1С нигде, и будет скорее описываться синими линиями графиков, в то время как NB-1LH − красными. То есть следует ожидать более полного использования емкости аккумулятора, а самое интересное − меньшего ее снижения на морозе.

Элемент 103448 довольно близок к NB-1LH по длине и толщине. К сожалению, ширина элемента на 1,5 мм больше и в батарейный отсек он не входит, ставя перед необходимостью доработки отсека.

Такая доработка вполне осуществима. Аппарат разбирается, для этого отвинчиваются все наружные винты и снимаются передняя и задняя металлические крышки корпуса. С батарейного отсека снимается слот CF-карты. На основной плате аппарата отсоединяются все разъемы, сама плата отвинчивается и приподнимается. Снимается гибкий экран, приподнимаются все шлейфы и гибкие платы между основной платой и батарейным отсеком. Единственная операция, требующая пайки:  три вывода с верхнего торца батарейного отсека, впаянные насквозь в лежащую на отсеке гибкую плату с кнопками, отпаиваются, плата отводится. Еще несколько винтов − и пластмассовый отсек вместе с откидной крышкой и экраном снимается с защелок на блоке оптики.

При разборке полезно зарисовывать местоположение винтов, т. к. они разного типа и длины. Приложение усилий ни на каком этапе не требуется. Не требуется разбирать блок оптики.

Боковая, обращенная к торцу камеры пластмассовая стенка отсека имеет толщину больше 2 мм. В ней с внутренней стороны круглым напильником протачивается канавка глубиной около 1 мм под полукруглую боковую стенку элемента, пока тот не начнет входить в отсек с небольшим трением. Стенка нигде не прорезается насквозь, хотя на дне канавки начинает ощутимо просвечивать (с ее обратной стороны есть паз под крышку CF). Жесткость конструкции отсека не снижается.

После того, как элемент начал входить свободно, дорабатывается деталь защелки замка аккумулятора — в ее теле делается полукруглый вырез, чтобы элемент помещался под замок в открытом и закрытом  состоянии (честно говоря, с разобранным аппаратом в руках все значительно проще и яснее, чем при чтении этого описания).

Доработки закончены, аппарат собирается. При сборке должен остаться один лишний маленький саморез : раньше он крепил экран отсека к стенке в том месте, где теперь паз. На прочность конструкции это не влияет. Доработка также не влияет на установку штатного аккумулятора и внешний вид камеры.

Подобным же образом, но без разборки, дорабатывается зарядное устройство. Только теперь протачивается не внешняя, а внутренняя боковая стенка отсека.

На торце элемента расположены плюсовой контакт, вентиляционное отверстие и отверстие заливки электролита (после снятия картонной накладки). Корпус — алюминиевый, на плюсовом контакте серебряная напайка. Она неплохо облуживается с обычной канифолью, естественно, следует сокращать время пайки до секунды-двух и избегать перегрева.

Аккумулятор будет располагаться в отсеке плюсовым контактом наружу, вентиляционным отверстием к краю камеры. На боковую поверхность элемента, соответствующую контактам будущего аккумулятора, циакрином наклеивается полоса изолятора (использован прозрачный ПВХ от конторской папки) на всю длину и на оба торца. Место, соответствующее контакту «−», остается свободным – его роль будет играть корпус банки. Весь остальной корпус не изолируется — он контактирует только с заземленным экраном отсека. На всю длину поверхности в позициях, соответствующих контактам «+» и «Т», циакрином наклеиваются полосы из медной фольги с небольшим заходом на торцы.

Рис. 7. Электрическая схема аккумулятора собрана

Большая длина контактных полос связана с необходимостью прохождения тех самых предохранительных выступов: они цеплялись бы за любые кромки. А расположение соединений с противоположной от контактов стороны — с тем, что в отсеке и особенно в зарядном устройстве точки контакта находятся почти у самого торца аккумулятора.

Аккумулятор должен включать в себя термистор с отрицательным ТКС. Замер характеристик термистора в NB-1LH дал 10 кОм при температуре 25oС и 16 кОм при 13oС, т. е. ТКС около 5%/К. Термистора с такими характеристиками в продаже оперативно найти не удалось, поэтому был использован чип-резистор на 10к, демонтированный со старой платы. Естественно, можно использовать и обычный на 62 мВт. При нормальной эксплуатации аккумулятора это ни на что не влияет: вопреки распространенному мнению, термистор Li-ion аккумулятора используется только как датчик опасного перегрева и не влияет на электрические режимы (в отличие от NiMH, где он может служить датчиком окончания заряда).

Неожиданную трудность составило соединение заземленного вывода резистора с корпусом: алюминий не паяется, а доступа к принятой для этих целей аппаратуре точечной сварки не было. Из положения удалось выйти при помощи капли электропроводного серебросодержащего клея, защищенной каплей циакрина. Это явно не самое изящное, но вполне работоспособное решение.

По завершении электрических соединений торец аккумулятора защищается пластмассовой крышкой на прозрачном термоклее. Вентиляционное отверстие клеем не перекрывается. При желании можно нанести каплю циакрина между крышкой и точкой подсоединения резистора к корпусу, чтобы замок не цеплялся за зазор. К корпусу крепится полоса скотча для вытаскивания аккумулятора из отсека, если он входит с трением.

Рис. 8. Аккумулятор собран

Первые испытания показали не менее 190 снимков на одном заряде и полностью корректную работу предупреждений о садящейся батарее. Зарядка аккумулятора в ЗУ происходит несколько дольше, чем у NB-1LH, около трех часов. Ток заряда — 0,5 А — для этого элемента более чем щадящий по сравнению с номинальным 1,3 А и максимальным 2 А.

Здесь неплохо смотрелись бы результаты объективного испытания. Скажем, утилитой RemoteCapture можно было бы задать съемку одного снимка в минуту и посчитать количество снимков на штатном и описанном аккумуляторах. Такой проверки не проведено, но субъективно почти двукратное увеличение емкости вполне заметно. Желающим повторить конструкцию можно порекомендовать провести подобный тест до изготовления аккумулятора, подсоединив элемент и резистор к камере при помощи простейшего самодельного переходника.

Выводы

Для аппарата Canon PowerShot S400 сделаны два источника питания, расширяющие его функциональность и не нарушающие габаритов и внешнего вида камеры.

Батарейную кассету имеет смысл использовать в качестве «аварийного» источника питания, когда подзарядить аккумулятор негде или некогда, а батарейки есть в пределах досягаемости. Можно также использовать NiMH аккумуляторы, принимая во внимание неполное использование их емкости.

Литий-ионный аккумулятор может использоваться как полноценная и даже превосходящая по параметрам замена штатного NB-1LH. При в полтора-два раза большей емкости аккумулятор имеет предположительно лучшие характеристики, в особенности на минусовых температурах, и очень небольшую себестоимость. Двумя изготовленными аккумуляторами, соответствующими трем-четырем штатным, автор для себя закрыл вопрос с питанием в поле, по-видимому, навсегда.

Недостатком обеих конструкций следует признать отсутствие защиты от неправильной установки и опасность КЗ при этом, что недопустимо, если камерой пользуются технически менее подкованные члены семьи. В этом случае следует предусмотреть конструктивные меры, аналогичные примененным в штатном аккумуляторе. Помимо того, Li-ion аккумулятор лишен всех традиционных средств безопасности — датчика температуры и схемы PCM с защитой от превышения тока, перезаряда и переразряда. Правда, и то, и другое обычно служит «последним рубежом» и актуально только при нештатной работе электроники.

В целом можно сказать, что идея «попробовать самому» увенчалась успехом.






Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.