PAN 6 + 12V - Elektronické konstrukce

Přejít na obsah
Nabídka

PAN 6 + 12V

Nabíječky
           Při použití průmyslového zdroje se pracuje se síťovým napětím 230V. Hrozí nebezpečí úrazu el. proudem.
Za případné škody na majetku nebo zdraví nemám zodpovědnost.

    Pulsní automatická nabíječka  6V a 12V PB akumulátorů.

Charakteristika:   
Nabíjení - I/U1/U2.
Pulsní nabíjecí proud o kmitočtu 500Hz.  
Plynulá regulace nabíjecího proudu potenciometren od 0,1A do 5A.  
Indikace proudu analogovým ampérmetrem.   
Indikace napětí akumulátoru LED voltmetrem.     
Automatický výběr 6V nebo 12V akumulátoru.
Chlazení ventilátorem snímané teplotním čidlem. Zapíná při 52°C, vypíná při 42°C. Dvě teplotní čidla.
Soft start plynulý nárůst nab.proudu.
  
Ochrany:    
proti přepólování     
proti zkratu akum. svorek     
proti nabíjecímu proudu > 5,2A      
tepelná ochrana nap. zdroje     
proudová ochrana nap. zdroje      
síťové napětí – pojistka  T – 2A  ( u průmyslového zdroje )
                 
Provozní stav nabíječky:     
Není připojen aku.                      -    bliká žlutá led – pohotovostní režim, U aku < 2,1V.
Přepólování akum.svorek           -    svítí červená led + přerušovaný zvukový signál.   
U aku.  <  7,35V nebo < 14,7V   -    svítí žlutá led - nabíjí nastaveným proudem - první fáze nabíjení.     
U aku.  =  7,2V  - 14,4V              -    svítí žlutá a zelená led - druhá fáze nabíjení.
U aku. =  6,9V nebo 13,8V         -    svítí zelená led – nabito na 100 % - třetí fáze nabíjení.
Při nabíjení je napětí na aku > 7,5V nebo > 15V - blikají všechny led ( podle typu aku - 6 nebo 12V ).
Tepelná ochrana - postupně svítí žlutá, červená, zelená led, potom všechny zhasnou a to se opakuje.
Na vstupu nabíječky je napětí > 15V - svítí červená, 1x zvukový signál ( např. 2 x 12V aku v sérii ).

Popis:
Při správně připojeném akumulátoru si mikroprocesor změří napětí a podle toho se přepne do příslušného programu pro 6V nebo 12V akumulátory. Nabíječka má tři fáze nabíjení. V první fázi se nabíjí konstantním proudem. Nabíjecí proud se nastavuje potenciometrem a měl by být 8 – 10 % kapacity akumulátoru. Pulsy nabíjecího proudu dosahují hodnoty kolem 13A, ale střední hodnota nabíjecího proudu je podle nastavení na ampérmetru.
Při dosažení napětí na akumulátoru 7,35V nebo 14,7V ( podle toho jestli je připojený 6V nebo 12V aku. ) nabíjení přejde do druhé fáze a nabíjí konstantním napětím. Svítí žlutá a zelená led. Akumulátor je nabitý na 70%.
V této fázi už nejde regulovat potenciometrem nabíjecí proud. Napětí na akumulátoru se udržuje na 7,2V nebo 14,4V, podle typu akumulátoru. S přibývajícím časem při konstantním napětí pomalu klesá nabíjecí proud.
Když klesne na 30% nab. proudu nastaveného v první fázi nabíjení, což odpovídá kolem 3% kapacity akumulátoru nebo když nabíjecí proud klesne pod
140 mA, ( při nab.proudu < 0,46A v první fázi nabíjení ) tak nabíjení přejde do třetí fáze nabíjení.
( Např. aku 50Ah, nab. proud 10% = 5A, 30% z 5A = 1,5A. Při poklesu nab.proudu na 1,5A přejde do 3 fáze nabíjení.) Zhasne žlutá a svítí zelená led. Napětí na akumulátoru se udržuje na 6,9V nebo 13,8V, podle typu aku. Akumulátor je nabitý na 100%. Nabíjecí proud stále klesá. Může klesnout až pod 100mA, podle samovybíjení  akumulátoru a času, po který je v této fázi nabíjení připojený akumulátor.    
Pokud bude nabíjecí proud > 20% kapacity akumulátoru, tak se může stát, že napětí akumulátoru velmi rychle stoupne
( starý akumulátor ), mikroprocesor změří napětí i proud a přepne do druhé nebo třetí fáze nabíjení. Nabíjení by trvalo velmi dlouho.     
Jestli se připojí na svorky nabíječky napětí > 15V ( např: 2aku. 12V  do série) spustí se zvukový signál a rozsvítí se červená led  ( nejde nabíjet – ochrana ).    
Stát by se to nemělo, ale kdyby z nějakého důvodu bylo napětí na akumulátoru > 7,5V u 6V akumulátoru a >15V u 12V akumulátoru, tak v tom případě se přeruší nabíjení. Signalizují to všechny led - blikají. ( Ochrana proti přebíjení akumulátoru.) Jen se kontroluje připojení akumulátoru. Stačí odpojit jednu svorku k aku. a nabíječka přejde do pohotovostního režimu.    
Když se v průběhu nabíjení přeruší el. proud ze sítě, tak se relé vypne a odpojí akumulátor, aby elektronika nabíječky nebyla napájena z akumulátoru. Svítí červená led, po chvíli zhasne. Po zapnutí el.proudu pokračuje v nabíjení od začátku programu pro příslušný akumulátor.     
Voltmetr ukazuje napětí jen pokud je správně připojený akumulátor.    
Pro napájení se používá nap.zdroj k notebooku  nebo průmyslový sp. zdroj 16V – 19V na 4,7A – 6,7A. Nejlepší je zdroj, u kterého je výstupní napětí 16 -17V.
Na snímacím rezistoru a spínacím tranzistoru je menší ztrátový výkon a méně se zahřívají.
Ochranný vodič je spojený s mínus pólem svorky, která se připojí k akumulátoru. Má to většina napájecích zdrojů k notebooku.

Měření impulsů osciloskopem:
Většina osciloskopů má zem spojenou s ochranným vodičem. Při nedbalém připojení svorek měřících kabelů osciloskopu může dojít ke zkratu a tím se může poškodit osciloskop nebo napájecí zdroj. Měří se na snímacím rezistoru R13.
Připojit zem osciloskopu na zem u R13 a měříci hrot na snímací rezistor R13.

Příkon - W:                  
                    I nab = 0,5A  -  13W                                                   
                    I nab =    1A  -  26W                           
                    I nab = 1,5A  -  34W                            
                    I nab =    2A  -  43W                             
                    I nab = 2,5A  -  54W                            
                    I nab =    3A  -  67W                          
                    I nab = 3,5A  -  76W
                    I nab =    4A  -  83W                  
                    I nab = 4,5A  -  92W                      
                    I nab =    5A  -  102W          
             Měřeno Power Calculator Model - 6907

Schéma zapojení PAN 6 a 12V PB aku.
Plošný spoj 127 x 56mm.
Rozmístění THT součástek na ploš. spoji.
Rozmístění součástek
SMD.
Osazený plošný spoj.


Na obrázku vpravo jsou veškeré informace při
nabíjecím proudu 5A.

Napájecí napětí spínaného zdroje je 16,5V.

Měřeno na rezistoru R13.
Odpor rezistoru je 0,22Ω.

Střední hodnota nab. proudu je 1,11/ 0,22 = 5,045A

Špičkový proud - Umax./0,22 = 13,27A.
Popis zapojení:
K ovládání nabíjení jsem zvolil PIC 18F1220. V programové smyčce řídí PWM, kontroluje vstupy, jestli je připojený nebo přepólovaný akumulátor, měří teplotu čidel, napětí akumulátoru, nabíjecí proud a napětí na potenciometru. Podle potřeby spíná ventilátor, relé, tranzistory a LED.

Pro měření proudu je možné použít analogový nebo digitální ampérmetr. Analogový ampérmetr se zapojí mezi T1 a relé. Jestli se použije digitální ( zapojení je ve složce měřící přístroje - ampérmetr k PAN ), tak mezi T1 a relé se zapojí drátová propojka. Ampérmetr se připojí do bodů 3 a 4.  Ve schématu je znázorněno křížky a čísly. Optočleny sepnou výstupní tranzistory podle toho, jestli je připojený nebo přepólovaný akumulátor. Pro správnou funkci jsou LED optočlenů zapojeny antiparalelně.
Pokud se připojí akumulátor, je jedno jestli se připojí správně nebo přepóluje, tak jednou z LED optočlenů prochází proud a je na nich napětí kolem 2V. Protože LED v optočlenech vydrží napětí v závěrném směru max. 5V, tak antiparalelním zapojením se chrání navzájem. Minimální napětí na akumulátoru musí být 2,2V, aby seply optočleny a mikroprocesor vyhodnotil připojení nebo přepólování akumulátoru.
Při správném připojení akumulátoru sepne opt.1 a na RA.1 se přivede log.0. Za 2 vteřiny mikroprocesor přivede kladné napětí na T3, který sepne relé. Přes relé se přivede napětí z aku. na vstup voltmetru, který měří napětí akumulátoru.
Diody D1 a D4 slouží jako ochrany spínacích tranzistorů před napěťovými špičkami, které vznikají na cívkách při vypnutí tranzistorů.
Napěťový dělič na řídící elektrodě T1 z rezistorů R1 a R2 je zvolený tak, aby při napětí zdroje 17V bylo na vývodech GS napětí kolem -12V.

Referenční napětí pro AD převodník se odebírá z napájecího napětí procesoru. Protože stabilizátory napětí 78L05 nemají na výstupu přesně 5V, rozdíl je až
100mV ( 4,95 - 5,05V ) a rezistory R7 a R8 také nejsou přesné, tak jsem do napěťového děliče R7 a R8 přidal trimr 2k. Tím se nastavuje napětí na odpovém děliči. Po osazení součástek na ploš. spoji ( není vložený procesor do objímky ) se přivede napětí z reg. napájecího zdroje o velikosti 14,75V na napěťový dělič R7, R8 a trimr. Plus na konektor, kde se připojí analogový ampérnetr - ( u relé ). Zem na konektor, kde bude připojené napájecí napětí - 16 až 17V. Trimrem se nastaví na C6 napětí 2,24V.
Pokud by při nabíjení bylo napětí na akumulátoru větší nebo menší jak 14,7V, ( u 12V aku. v první fázi nabíjení ) tak se trimr nastaví tak, aby při napětí akumulátoru 14,7V procesor přepnul do druhé fáze nabíjení. Svítí žlutá a zelená led. Rozsah napětí lze nastavit od 0,81V do 2,45V. Pokud probíhá druhá fáze nabíjení, tak je možné upravit trimrem napětí na voltmetru nabíječky na 14,4V u 12V aku. U 6V akumulátoru se nic nenastavuje. Stačí nastavit u 12V aku.
Hodnota součástek pro napěťový dělič je potřeba dodržet.

Přes napěťový dělič R7, R8, trimr a R6 jde napětí z akumulátoru na RA.3. A/D převodník měří napětí akumulátoru a podle potřeby přechází do podprogramů, které řídí nabíjení. Současně se zapne PWM, která spíná přes T2 výkonový tranzistor T1. D3 urychlí uzavření T2, čímž se vytvoří strmější hrany na T1 a tranzistor se méně zahřívá. Přes snímací rezistor prochází nabíjecí proud. Průchodem nabíjecího proudu vzniká na R13 úbytek napětí, které je vyhlazeno R12 a C7. Vyhlazené napětí se měří na RA.2 A/D převodníkem a porovnává se s napětím na potenciometru.
Potenciometr (5k - 10k) je napěťový dělič, kterým se nastavuje nabíjecí proud. Je na něm napětí od 0 do 5V.
Mikroprocesor udržuje napětí na C7, aby bylo poměrově stejné jako na potenciometru tím, že přidává nebo ubírá šířku impulsů.
( V programu se napětí na potenciometru dělí 4,54. Při vytočení potenciometru na maximum to odpovídá napětí 5/4,54 = 1,1V což je úbytek napětí na rezistoru R13 při proudu 5A - střední hodnota. )
Napěťový dělič z rezistorů R7, R8 a trimru 2k je zvolený tak, aby při napětí 30V ( kdyby někdo zkoušel nabíjet dva akumulátory v sérii ) bylo na pinu procesoru RA.3 napětí menší jak 5V. Při napětí větším jak 5V se může zničit procesor.

Po dosazení údajů, které jsou patrné z obrázku obrazovky osciloskopu ( obrázek nahoře ), se vypočítá ztrátový výkon na R13.
P = 2,92²/ 0,22 = 38,75 W x 39% = 15,11W. ( 39% = délka impulsu v %, +Duty ).
Ztrátový výkon se mění v teplo, které je potřeba někam odvést. Proto je potřeba rezistor umístit na Al. chladič a posílit chlazení ventilátorem.
Chladič je typu Al.ZH136 - 115x26x100mm. Pro chlazení při proudu 5A by měl ventilátor dodat min. 40m3 vzduchu za hod ( vyzkoušeno ).
Lze použít i dva ventilátory vedle sebe zapojené paralelně. Proudový odběr obou ventilátorů může být max. 450mA.
Tranzistor T4 je max. na 0,5 A.

Pro teptotní čidla jsem použil převodník teplota - napětí MCP9700. Při 0°C je na výstupu 500mV. Při změně teploty o 1°C se změní napětí na výstupu o 10mV. Např. při teplotě 50°C je na výstupu napětí 1V.
Jedno teplotní čidlo je přilepené na snímací rezistor R13 a připojí se do konektoru tc1. Druhé je umístěné na chladiči spínaného zdroje a připojí se do tc2.
Je to potřeba dodržet. Každé čidlo je nastavené na jinou teplotu kdy sepne nebo vypne ventilátor. K lepení bylo použito vteřinové lepidlo do 160°C. Spolehlivější je přišroubovat čidla přes plechové objímky.
Pokud použijeme napájecí zdroj k noteboku, tak se nezapojí tc2 ( teplotní čidlo 2 ). Vstup tc2 se propojí jumperem nebo propojkou na GND. Na vstupu RB.1 bude log.0. Procesor na tomto vstupu naměří nulové napětí a tím se vyřadí z provozu.
Kdyby byla teplota na některém čidle větší jak 85°C, např. při poruše ventilátoru, tak tepelná ochrana ( procesor ) odpojí relé a vypne PWM. Tím se přeruší nabíjení, aby nedošlo k požáru nebo poškození nabíječky. Signalizuje to postupné rozsvícení led. Potom všechny zhasnou a to se pořád opakuje.
Po ochlazení pod 50°C je možno znovu aktivovat nabíjení odpojením a opět připojením síťového kabelu do zásuvky. Je potřeba odstranit závadu.

LD - BZEG 1205 je elektromagnetický měnič s vlastním generátorem. Rezonanční kmitočet je 2300Hz. Protože má vlastní generátor, tak na něm při vypnutí tranzistoru nevznikají napěťové špičky. Paralelně k němu není potřeba připojit diodu k ochraně spínacího tranzistoru T5.

Při zahájení nabíjení nikdy nedojde k proudovému nárazu tím, že by se okamžitě nabíjelo nastaveným proudem. PWM plynule zvětšuje nabíjecí proud od nuly do nastaveného proudu. Tzv. soft start. Při nabíjecím proudu 5A to trvá kolem 2 vteřin. S menším proudem kratší dobu.
V druhé a třetí fázi nabíjení, kdy se nabíjí konstantním napětím kmitá ručka ampérmetru. To je normální, protože dochází k přerušování nabíjecího proudu.
U digitálního ampérmetru se to neprojeví. Napětí z R13 jde přes RC filtr R12,C7 na vstup A/D převodníku. Mikroprocesor změří napětí 5x, vypočítá průměrnou hodnotu, přepočítá na proud a zobrazí na LED displeji. Toto měření se provádí 3x za vteřinu. To se týká ampérmetru s PIC 16F684.
Složka ampérmetr k PAN.
Nelze použít kupované digitální ampérmetry. Jsou jiné konstrukce a nehodí se na pulsní proud.
Voltmetr se dá koupit na Aukru i v některých internetových obchodech. Já jsem si ho vyrobil, protože kupovaný neměřil přesně. Asi jsem narazil na vadný kus. Při konstrukci dalších nabíječek už moduly voltmetru byly přesné. Digitální ampérmetr jsem vyrobil podle mé potřeby. Popis je ve složce měřící přístroje.

Pokud nemáme analogový ampérmetr pro potřebný proud, tak si musíme nějaký upravit.
Používám typ 91C4. Rozměry 45x45 mm, rozsah 3A, napětí pro plnou výchylku je 75mV. Je to v podstatě voltmetr, který měří úbytek napětí na bočníku.
S bočníkem se nic nedělá. Úpravou předřadného rezistoru v ampérmetru se nastaví požadovaný max. proud. Štítek se vyrobí na počítači, vytiskne na laser. tiskárně a nalakuje akrylovým bezbarvým lakem. Potom se na ampérmetru odšroubují dva šroubky umístěné na čelním plexiskle.
Oddělá se plexi, vyšroubují se další dva šroubky a opatrně se odstraní plechový panel, na kterém je vytištěna stupnice ampérmetru. Na plechový panel se nalepí nová stupnice. Upraví se předřadný odpor, který je připájený k jednomu konci bočníku. Původní hodnota  předřadného rezistoru je 1,2Ω.
Ke stávajímu odporu do série připájíme další, který má hodnotu 2Ω. Viz foto. Vše sešroubovat a tím je nastavení hotové.
Ampérmetr bude měřit max. proud do 5A.  



Štítek ampérmetru 42x19 mm.
Typ 91C4.
Panelový štítek se vytiskne na laser. tiskárně na samolepící fólii a nastříká bezbarvým akrylovým lakem. Po zaschnutí laku se vystřihnou otvory pro digitální voltmetr a analogový ampérmetr. Potom se položí na čelní panel, obkreslí se otvory pro voltmetr a ampérmetr. Dále se označí středové body, kde se bude vrtat. Pro ampérmetr je potřeba otvor o průměru 40mm, který se odvrtá menším vrtákem. Zbytek se začistí nožem nebo hrubým pilníkem.
Otvory pro uchycení ampérmetru mají průměr 4mm. Pro banánky průměr 8mm, pro objímky LED průměr 5,8mm a pro potenciometr průměr 7mm.
Digitální voltmetr se vloží do otvoru, který se vyřízne v čelním panelu podle velikosti modulu a zalepí vteřinovým lepidlem. Potom se na čelní panel nalepí panelový štítek. Boky štítku se uříznou ostrým nožem podle hrany čelního panelu. Ostatní otvory se vyříznou nožem. Pokud se někomu nechce vyřezávat pro voltmetr otvor nebo chce mít voltmetr schráněný proti vnějšímu prostředí, tak na čelní panel může použít plexisklo tloušťky 2 mm. Pokud se použije plexisklo, tak se musí voltmetr umístit tak, aby rámeček štítku pro voltmetr pasoval s displejem voltmetru.
Zadní panel si každý upraví sám podle typu ventilátoru, napájecího zdroje, pojistkového pouzdra popř. síťové zásuvky nebo nap. konektoru.




Štítek na panel
184x 63mm.
Pro přívodní kabely k akumulátoru je potřeba použít průřez minimálně 2,5 mm² a délku max. 80 cm. Při větším proudu a malém průřezu je na kabelech větší úbytek napětí. Potom je skutečné napětí akumulátoru o tento úbytek menší. Místo klasických banánků je lepší použít modelářské, ke kterým se přívodní kabely připájí. Tím se minimalizuje přechodový odpor a při větším proudu se nezahřívají.

Někdo si říká, proč jsem místo R13 0,22 Ohm/50W nepoužil odporový drát s menší hodnotou, např. 0,03Ohm.
Protože na malém odporu je malý úbytek napětí a mikroprocesor při referenčním napětí 5V nedokáže malý proud změřit. Musel bych zesílit napětí na C7 operačním zesilovačem, který potřebuje napájecí napětí + - a zem. Další dva IO obvody navíc nebo použít OZ např. MAX4080SASA.
Přesto jsem vyzkoušel odporový drát kanthal o průměru 1,2 mm, 0,06Ohm na 1200°C. Při proudu 5A měl teplotu 198°C, což být nemůže. Proto jsem zvolil rezistor 0,22Ohm/50W na chladiči a chlazení posílil ventilátorem, který vhání vzduch dovnitř. Rychlejší ochlazení.

Zkušenosti z provozu.
Tato nabíječka se používá k nabíjení 6V i 12V akumulátorů s kapacitou do 70Ah. Pulsy špičkového proudu dosahují až 13A. Pokud máme starší akumulátor, tak se může částečně zregenerovat tak, že při nabíjení připojíme k akumulátoru žárovku 12V / 15 - 21W. Při nabíjení a částečném vybíjení se působením pulsů rozpouští na olověných deskách v akumulátoru sulfát, který vzniká v akumulátoru při vybíjení. Asi po 4 hod. nabíjení je potřeba odpojit žárovku, aby nabíjení prošlo všemi fázemi nabíjení.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
   Seznam součástek .... >
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
různé modifikace nabíječek
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
U této konstrukce je použita plastová krabička KP8 ( Z3W ) - 110x150x70mm.
Napájecí napětí je 16 - 19V DC z externího zdroje.
Aplikace nabíječky, ve které se zkouší naprogramované procesory.
Návrat na obsah