Como ligar o TP4056: módulo carregador de 18650, proteção e ESP32

Ligar o TP4056 é a forma mais barata de carregar com segurança, pela USB, uma bateria 18650 ou LiPo de uma única célula e alimentar com essa mesma bateria um projeto com Arduino, ESP32 ou Raspberry Pi Pico: o cabo USB vai na entrada do módulo, a bateria vai em B+ e B- e, nos módulos protegidos, o seu circuito vai em OUT+ e OUT-. O módulo carrega a bateria até 4,2 V pelo método de corrente constante/tensão constante, para sozinho quando a bateria está cheia e mostra o estado com dois LEDs. Essa plaquinha do tamanho de uma unha é o coração de projetos que funcionam longe da tomada, como estações meteorológicas portáteis, robôs, luminárias recarregáveis e sensores sem fio.

Mas esse módulo barato tem algumas armadilhas: as versões protegida e sem proteção são ligadas de forma diferente, a corrente de carga padrão de 1 A é alta demais para baterias pequenas, alimentar o circuito durante a carga pode impedir que ela termine e duas células em série nunca podem ser carregadas com esse módulo. Neste guia você vai aprender, passo a passo, o que faz cada pino, o que significam os LEDs, como ajustar a corrente de carga com o resistor Rprog, como adicionar um módulo boost MT3608 para placas que precisam de 5 V e como medir a tensão da bateria com um ESP32 e convertê-la em porcentagem.

O que é o TP4056 e como ele funciona?

O TP4056 é um CI carregador linear feito para baterias de íon de lítio (Li-ion) e de polímero de lítio (LiPo) de uma única célula. Baterias de lítio não podem ser carregadas com qualquer fonte; elas precisam de um perfil de carga específico, e o TP4056 aplica esse perfil inteiro sozinho. Se a bateria estiver abaixo de 2,9 V, ele primeiro carrega devagar na fase de pré-carga (trickle), com cerca de um décimo da corrente ajustada, ou seja, uns 130 mA no ajuste de 1 A. Quando a tensão passa de 2,9 V, ele entra na fase de corrente constante (CC) e fornece toda a corrente ajustada. Quando a bateria chega a 4,2 V, começa a fase de tensão constante (CV): a tensão é mantida em 4,2 V e a corrente cai aos poucos. A carga termina quando a corrente cai para um décimo do valor ajustado (100 mA no ajuste de 1 A). Se depois a bateria cair para cerca de 4,05 V, o módulo reinicia a carga automaticamente. Se o chip esquentar muito, ele mesmo reduz a corrente de carga; por isso é normal o módulo ficar quente durante a carga.

Módulos TP4056 com proteção (DW01) e sem proteção

Duas placas diferentes são vendidas com o mesmo nome. O módulo sem proteção tem apenas o chip TP4056 e quatro pontos de ligação: IN+/IN- e BAT+/BAT-. Ele carrega a bateria, mas não supervisiona nada enquanto a bateria descarrega. O módulo protegido acrescenta um CI de proteção DW01A e um MOSFET duplo 8205A, e tem seis pads: IN+/IN-, B+/B- e OUT+/OUT-. O circuito de proteção fica como uma chave entre o terminal negativo da bateria e o terminal negativo do seu circuito (OUT-). Quando a bateria é descarregada demais ou sobrecarregada, quando o circuito puxa corrente demais ou quando a saída entra em curto, ele abre essa chave e desconecta a bateria do circuito.

Bateria 18650: as tensões que você precisa conhecer

O nome 18650 vem do tamanho da célula: 18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento. A tensão nominal é de 3,6–3,7 V, mas isso é uma média; uma célula cheia fica em 4,2 V e uma vazia por volta de 3,0 V. As capacidades reais vão de 2000 a 3500 mAh; células com 6800 ou 9900 mAh no rótulo são falsificadas e muitas vezes não entregam nem 1000 mAh. As 18650 protegidas, com circuito de proteção próprio, são alguns milímetros mais compridas e podem não caber em qualquer suporte. Você pode calcular quanto tempo o seu projeto vai funcionar com uma bateria usando a calculadora de autonomia da bateria e ler sobre as unidades de capacidade em mAh e Wh explicados.

Como ligar o TP4056: os pinos IN, B+/B- e OUT+/OUT-

1. Solde o fio vermelho do suporte da bateria em B+ e o fio preto em B-. Ainda não coloque a bateria.
2. Solde o fio positivo de alimentação do seu circuito em OUT+ e o fio negativo (GND) em OUT-. Se você vai alimentar uma placa que precisa de 5 V, um módulo boost MT3608 entra no meio.
3. Confira as soldas e use um multímetro para ter certeza de que não há curto entre B+ e B-.
4. Coloque a bateria respeitando a polaridade. Em alguns módulos protegidos a saída pode estar desligada no início; ligar a USB uma vez reinicia a proteção e liga a saída.
5. Ligue o cabo USB: se o LED vermelho acender, a carga começou. Quando a bateria estiver cheia, o LED vermelho apaga e o LED azul ou verde acende.
6. Quando o multímetro mostrar a tensão da bateria (3,0–4,2 V) entre OUT+ e OUT-, você pode ligar o seu circuito.

O que significam os LEDs do TP4056?

Sem bateria, é normal o LED azul ficar aceso e o vermelho tremular: o módulo fica carregando e descarregando o capacitor no terminal vazio da bateria. Você pode estimar o tempo de carga, por alto, com capacidade / corrente × 1,2. Uma célula de 2600 mAh carrega em cerca de 3 horas a 1 A; como a corrente cai aos poucos na etapa final, leva um pouco mais do que a divisão simples sugere.

Como ajustar a corrente de carga: o resistor Rprog

A corrente de carga é definida por um único resistor entre o pino PROG do TP4056 (pino 2) e o GND. Na maioria dos módulos esse resistor está marcado como R3 e traz o código 122, que significa 1,2 kΩ e resulta em 1 A. Para decifrar marcações como essa, você pode usar o decodificador de código SMD. A fórmula é aproximadamente I (mA) = 1200 / Rprog (kΩ). Para mudar a corrente, dessolde o resistor SMD e solde no lugar o valor que você quer; se não encontrar um resistor SMD do tamanho certo, também dá para soldar um resistor PTH pequeno entre os dois pads.

A regra geral é manter a corrente de carga em torno de metade da capacidade da bateria (0,5C): 250 mA servem para uma LiPo de 500 mAh e 1 A serve para uma 18650 de 2600 mAh. Leve o calor em conta também: como o TP4056 é linear, a diferença de tensão entre a entrada e a bateria vira calor. Carregando uma célula de 3,6 V a 1 A com entrada de 5 V, o chip dissipa (5 − 3,6) × 1 = 1,4 W; é por isso que o módulo esquenta bastante e pode reduzir a corrente sozinho. Você também pode fazer cálculos de potência como esse com a calculadora da lei de Ohm. A porta USB 2.0 de um computador fornece só 500 mA; então, se você vai carregar com frequência pelo computador, vale a pena baixar a corrente para uns 500 mA.

Alimentar o circuito durante a carga (load sharing)

Se você quer que o projeto continue funcionando com a USB ligada, o jeito mais simples é deixar o circuito ligado em OUT+ e OUT-; o TP4056 então carrega a bateria e alimenta o circuito ao mesmo tempo. Mas o chip não consegue distinguir a corrente que vai para a bateria da corrente que vai para o circuito. Se o seu circuito puxa constantemente mais de 100 mA, a corrente total nunca cai abaixo do limiar de fim de carga, a carga nunca termina e a bateria fica horas parada em 4,2 V, o que encurta a vida dela. Se o circuito puxa perto de 1 A, a bateria nem chega a encher. Com um ESP32 em deep sleep ou circuitos pequenos que puxam poucos mA, a ligação direta não causa problema real na prática; para projetos Wi-Fi sempre ligados, motores e fitas de LED, monte um circuito de compartilhamento de carga (load sharing).

Precisa de 5 V? Adicionando um módulo boost MT3608

A tensão de uma 18650 varia entre 3,0 e 4,2 V; isso não basta para um Arduino Uno, módulos relé, servo motores ou LEDs WS2812B, que querem 5 V. A solução é um conversor boost (elevador de tensão, step-up), que aumenta a tensão. O mais comum é o módulo MT3608: ele dá uma saída ajustável de até 28 V a partir de uma entrada de 2–24 V, chaveia a 1,2 MHz e a chave interna tem limite de corrente de 4 A. Na prática, dá para puxar com segurança uns 0,5–1 A em 5 V de uma única 18650; acima disso o módulo esquenta e a eficiência cai. Quando você precisa baixar uma tensão, usa o módulo buck LM2596, que faz exatamente o contrário.

1. Ligue as entradas VIN+ e VIN- do MT3608 em OUT+ e OUT- do TP4056.
2. Sem ligar nada na saída ainda, conecte o multímetro entre VOUT+ e VOUT-.
3. Gire o trimpot azul com uma chave de fenda pequena para ajustar a saída em 5,0–5,1 V. O trimpot é multivoltas, então a tensão pode começar a mudar só depois de várias voltas; continue girando com paciência.
4. Depois de ajustar, ligue o pino 5V da placa em VOUT+ e o pino GND em VOUT-.
5. Meça a tensão de novo com o circuito funcionando; se ela cair abaixo de 4,8 V com carga, encurte os fios ou reduza o consumo de corrente.

Se você liga a placa na USB para carregar o código com a saída do boost ainda conectada, está juntando duas fontes de alimentação. O mais seguro é desconectar a saída do boost durante o carregamento. Você encontra em detalhes qual pino alimenta o Arduino, e como, em Como alimentar um Arduino.

Células em série não podem ser carregadas com o TP4056

O TP4056 só carrega uma única célula (1S) até 4,2 V. Um pack de duas 18650 em série (2S), comum em carrinhos robô, tem 7,4 V nominais e 8,4 V quando cheio; ligue-o a um único TP4056 e ele não carrega, e o módulo e as células podem ser danificados. Colocar um TP4056 separado em cada célula também não funciona: as entradas negativas dos módulos se juntam na mesma fonte USB e, como o negativo do módulo de cima fica no positivo da célula de baixo, a célula de baixo entra em curto. Como a tensão final é fixa em 4,2 V, o TP4056 também não é usado com células LiFePO4, cuja carga precisa parar em 3,6 V.

• Ligue em paralelo (1S2P): com duas células em paralelo, a tensão continua em 3,7 V, a capacidade dobra e você pode carregá-las com um TP4056. Confira se as células estão com a mesma tensão antes de juntá-las.
• Use um boost: se você precisa de 7–12 V, eleve a saída das células em paralelo com um MT3608.
• Use um circuito de carga 2S: um pack em série precisa de um carregador CC/CV de 8,4 V e de uma placa BMS 2S com balanceamento.
• Tire as células para carregar: você pode tirar as células de um pack em série do suporte e carregá-las uma a uma em um carregador de 18650 separado.

Como medir a tensão da bateria: ligação do divisor de tensão

Para saber o quanto a bateria está cheia, basta medir a tensão dela. Mas uma bateria de 4,2 V não pode ir direto num pino analógico do ESP32 ou do Pico, porque as entradas do ADC deles aguentam no máximo 3,3 V. A solução é um divisor de tensão feito com dois resistores iguais: 100 kΩ + 100 kΩ baixam 4,2 V para 2,1 V e puxam só 21 µA da bateria. Você pode calcular os valores com a calculadora de divisor de tensão e ler como o circuito funciona em O circuito divisor de tensão. Colocar um capacitor de 100 nF entre o ponto de medição e o GND deixa bem mais estáveis as leituras feitas com resistores de valor alto.

O ADC do Arduino Uno usa uma referência de 5 V; graças ao divisor, uma bateria de 4,2 V aparece como 2,1 V no A0 e a leitura de 10 bits dá um valor entre 0 e 1023. Quando a placa é alimentada pela USB ou por um módulo boost, o pino 5V pode não estar exatamente em 5,00 V; meça-o com um multímetro e coloque o valor como VREF no código, e a precisão melhora bastante.

1// Arduino Uno: 18650 pil voltajı, A0'da 100k + 100k bölücü / battery voltage, 100k + 100k divider on A0
2const float VREF = 5.0;      // 5V pinini multimetreyle ölçüp yaz / measure the 5V pin and enter it
3const float DIVIDER = 2.0;   // bölücü oranı / divider ratio
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7}
8
9void loop() {
10  long sum = 0;
11  for (int i = 0; i < 16; i++) {      // 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
12    sum += analogRead(A0);            // 0-1023
13    delay(2);
14  }
15  float v = (sum / 16.0) * VREF / 1024.0 * DIVIDER;
16  Serial.print(F("Pil / Battery: "));
17  Serial.print(v, 2);
18  Serial.println(F(" V"));
19  if (v < 3.3) Serial.println(F("Pil zayif / Battery low"));
20  delay(1000);
21}

Como medir a tensão da bateria e mostrar a porcentagem com o ESP32

O ADC do ESP32 não é perfeitamente linear e varia de placa para placa. Por isso, em vez do analogRead bruto, é mais preciso usar o analogReadMilliVolts, que aplica a calibração de fábrica do chip e retorna milivolts diretamente. O código abaixo tira a média de 16 leituras, multiplica pela razão do divisor para obter a tensão da bateria, converte em porcentagem usando uma tabela e, se a bateria cair abaixo de 3,3 V, coloca o ESP32 em deep sleep por 10 minutos.

1// TP4056 + 18650: ESP32 ile pil voltajı ve yüzdesi / battery voltage and percentage with ESP32
2const int BAT_PIN = 34;          // ADC1 pini, Wi-Fi açıkken de çalışır / ADC1 pin, works with Wi-Fi on
3const float DIVIDER = 2.0;       // 100k + 100k bölücü: pil / 2 / 100k + 100k divider: battery / 2
4const float LOW_BAT = 3.30;      // bu değerin altında uykuya geç / go to sleep below this voltage
5
6// Yaklaşık gerilim-yüzde tablosu (dinlenen pil) / approximate voltage-percent table (resting cell)
7const float volts[]   = {3.30, 3.60, 3.70, 3.80, 3.85, 3.90, 4.00, 4.10, 4.20};
8const int   percent[] = {   0,    5,   12,   40,   55,   63,   78,   89,  100};
9const int POINTS = 9;
10
11float readBattery() {
12  uint32_t sum = 0;
13  for (int i = 0; i < 16; i++) {           // 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
14    sum += analogReadMilliVolts(BAT_PIN);  // kalibre edilmiş mV / calibrated millivolts
15    delay(2);
16  }
17  return (sum / 16.0) * DIVIDER / 1000.0;  // pil gerilimi (V) / battery voltage (V)
18}
19
20int toPercent(float v) {
21  if (v <= volts[0]) return 0;
22  if (v >= volts[POINTS - 1]) return 100;
23  for (int i = 1; i < POINTS; i++) {
24    if (v < volts[i]) {                    // iki nokta arasında doğrusal / linear between two points
25      float k = (v - volts[i - 1]) / (volts[i] - volts[i - 1]);
26      return (int)(percent[i - 1] + k * (percent[i] - percent[i - 1]));
27    }
28  }
29  return 100;
30}
31
32void setup() {
33  Serial.begin(115200);
34  analogReadResolution(12);                // 0-4095 aralığı / 0-4095 range
35}
36
37void loop() {
38  float v = readBattery();
39  Serial.printf("Pil / Battery: %.2f V  %%%d\n", v, toPercent(v));
40
41  if (v < LOW_BAT) {                       // yazılımla derin deşarj koruması / software deep-discharge guard
42    Serial.println("Pil zayif, uyku / Battery low, sleeping");
43    esp_sleep_enable_timer_wakeup(10ULL * 60 * 1000000);  // 10 dakika sonra tekrar bak / check again in 10 min
44    esp_deep_sleep_start();
45  }
46  delay(5000);
47}

Esses valores valem para uma célula em repouso. Quando o ESP32 puxa picos de corrente alta ao transmitir por Wi-Fi, a tensão da bateria cai um pouco, e durante a carga o TP4056 a eleva artificialmente; por isso a leitura mais precisa sai antes de ligar o Wi-Fi e com o carregador desconectado. Para uma bateria que dure muito, faça uma leitura a cada poucos minutos e use o deep sleep do ESP32 entre elas. Lembre também que placas DevKit com chip USB-serial e LED de alimentação gastam vários mA mesmo dormindo; para projetos que precisam funcionar meses com bateria, placas de baixo consumo são a melhor escolha.

Como medir a bateria com um Raspberry Pi Pico (MicroPython)

O Pico leva vantagem aqui: o pino VSYS alimenta um regulador buck-boost na própria placa que aceita 1,8–5,5 V, então ele funciona com uma única 18650 sem módulo boost. Ligue o OUT+ do TP4056 ao VSYS (pino 39) através de um diodo Schottky (1N5817) e o OUT- ao GND (pino 38); o diodo impede que os 5 V do Pico voltem para a bateria quando a USB está ligada. Você pode medir a tensão da bateria com um divisor de 100k + 100k no GP26. No Pico comum, o GP29 já mede um terço do VSYS, mas esse valor sai mais baixo pela queda do diodo; no Pico W esse pino é compartilhado com o chip Wi-Fi, então um divisor externo é o caminho mais seguro.

1from machine import ADC
2import time
3
4adc = ADC(26)                  # GP26 = ADC0, 100k + 100k bölücü / divider
5CONV = 3.3 / 65535             # read_u16 değerini volta çevirir / converts read_u16 to volts
6DIVIDER = 2                    # bölücü oranı / divider ratio
7
8while True:
9    total = 0
10    for _ in range(16):        # 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
11        total += adc.read_u16()
12        time.sleep_ms(2)
13    v = total / 16 * CONV * DIVIDER
14    print("Pil / Battery: {:.2f} V".format(v))
15    if v < 3.3:
16        print("Pil zayif / Battery low")   # projeyi durdur / stop the project
17    time.sleep(2)

O read_u16 retorna um valor de 0 a 65535; multiplicando por 3,3 / 65535 você obtém a tensão no pino e, multiplicando pela razão do divisor, 2, obtém a tensão da bateria. Se você está começando com o Pico, O que é o Raspberry Pi Pico? mostra a instalação do MicroPython passo a passo.

Ideias de projetos com o TP4056 e uma 18650

• Estação meteorológica portátil: alimente um ESP32, um sensor de temperatura e um display OLED com uma única 18650 e mostre a porcentagem da bateria num canto da tela.
• Sensor com energia solar: ligue em IN+/IN- um painel solar pequeno de 6 V cuja tensão de circuito aberto fique abaixo de 8 V e mantenha um ESP32 funcionando por dias com deep sleep.
• Caixa de alarme por SMS: o SIM800L precisa de 3,4–4,4 V, então funciona direto com uma 18650 e envia um SMS quando detecta movimento.
• Luz noturna recarregável: monte uma luminária que acende no escuro com um LDR e carrega pela USB-C.
• Carrinho robô: carregue duas 18650 em paralelo com um TP4056 e eleve a tensão dos motores com um módulo boost; detalhes em Como fazer um carrinho robô com Arduino.
• Aviso de bateria fraca no celular: quando a bateria cair abaixo de 20%, faça o ESP32 mandar uma mensagem para você por um bot do Telegram.

Erros comuns e como resolver

Ligado corretamente, o TP4056 é uma peça confiável e barata que livra os seus projetos do cabo: ligue a bateria em B+ e B-, o circuito em OUT+ e OUT-, ajuste a corrente de acordo com a bateria, adicione um boost para 5 V e monitore a tensão da bateria pelo software. No app BlueGrays você pode explorar passo a passo, com esquemas do circuito e código pronto, projetos que combinam com bateria, como economia de energia com deep sleep no ESP32, um voltímetro digital com LCD e um registrador de temperatura.