PAN 6 + 12V - Elektronické konstrukce

Přejít na obsah

PAN 6 + 12V

Nabíječky
    
    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 ručkovým 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 + 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 nastavené 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.
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 měřící sondy 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 sondu 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




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.

Špičkový proud - Umax./0,22 = 13,27A.




Napájecí napětí spínaného zdroje je 16,5V.


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


Nab. proud - Uavg/0,22 = 0,41A
Špičkový proud - Umax./0,22 = 14A

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.
Referenční napětí pro A/D převodník se odebírá z napájecího napětí procesoru 5V.

Pro měření proudu je možné použít digitální nebo ručkový ampérmetr. Ručkový ampérmetr se zapojí mezi T1 a relé.  Jestli se použije digitální, tak mezi T1 a relé se zapojí drátová propojka. Ve schématu je znázorněno křížky. 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 jesli 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 RA1 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.
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 na něm při napětí zdroje 17V bylo
napětí kolem 12V.
Přes napěťový dělič R7 a R8 se dostane napětí z akumulátoru na RA3. 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 míň 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 RA2 A/D převodníkem a porovnává se s napětím na potenciometru.
Potenciometr (2k2 - 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. )

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.

Pro teptotní čidla jsem použil převodník teplota - napětí MCP9700. Při 0 st. je na výstupu 500mV. Při změně teploty o 1 stupeň se změní napětí na výstupu o 10mV. Např. při teplotě 50st.C je na výstupu napětí 1V.

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 1200st.C. Při proudu 5A měl teplotu 198st.C, což být nemůže. Proto jsem zvolil rezistor 0,22Ohm/50W na chladiči a chlazení posílil ventilátorem, který vhání vzduch dovnitř, rychlejší ochlazení.
Pro chlazení při proudu 5A by měl ventilátor dodat min. 40m3 vzduchu za hod ( vyzkoušeno ).

Kdyby byla teplota na některém čidle > 85°C např. při poruše ventilátoru, tak tepelná ochrana odpojí relé. 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 síťového kabelu ze zásuvky. Je potřeba odstranit závadu.
Jedno teplotní čidlo je přilepené na R13 a druhé na chladiči spínaného zdroje. Použil jsem vteřinové lepidlo do 160st.C. Spolehlivější je přišroubovat čidla přes plechové objímky.
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 10x, vypočítá průměrnou hodnotu, přepočítá na proud a zobrazí na LED displeji. Toto měření se provádí 3x za vteřinu.
Voltmetr se dá koupit na Aukru asi za 60 Kč. 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.
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.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
U poslední konstrukce ( obr. dole ) je použitý procesor PIC16F684 pro řízení nabíjení. Pro hlídání teploty modul teplotního spínače s PIC12F675. Pro lepší chlazení jsem vyrobil chladič z Cu plechu. Dále byl použitý průmyslový napájecí zdroj 15V/4A ( 60W ).
Trimrem  se může nastavit výstupní napětí 13,5 - 16,7V.
Ventilátor je velikosti 50x50x15 mm typu Maglev Sunon 12V DC/1,7W, 7000 ot, 31,5m3h. ( ME50151V1- G ).
Při max. nabíjecím proudu 4A nabíječku ochladí.

Zkušenosti z provozu.
Tato nabíječka se používá k nabíjení 6V i 12V akumulátorů s kapacitou do 70Ah. I přesto , že max. střední hodnota nabíjecího proudu je 4A, tak se 70Ah aku nabije na 100%. 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
Návrat na obsah