Ładowarka akumulatorów ołowiowo-kwasowych 12V

Opisana tu ładowarka wykorzystuje pecetowy zasilacz ATX do ładowania akumulatora. Wiąże się to z przeróbką zasilacza oraz dodaniem układu stabilizacji prądu. Parametry ładowarki: zakres prądu wyjściowego:  1 - 10A końcowe napięcie ładowania: 14,8V napięcie potrzymania: 13,8V automatyczny start po podłączeniu akumulatora (napięcie załączenia 10V) odporność na zwarcie na wyjściu zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem zacisków do akumulatora (opcja)

 

	DZIAŁANIE ŁADOWARKI

    Po włączeniu ładowarki (do sieci 230V) nie ma napięcia na zaciskach wyjściowych. Aby rozpoczął się proces ładowania należy podłączyć akumulator o SEM nie mniejszej niż 10V. Po przyłączeniu zacisków do akumulatora następuje samoczynny start ładowarki (zasilacza). Pierwsza faza to ładowanie stałym prądem który można regulować potencjometrem. Gdy napięcie akumulatora osiągnie 14,8V (+/- tolerancja) nastąpi przełączenie pracy na fazę drugą. Faza druga to podtrzymanie stanu naładowania akumulatora poprzez utrzymywanie go pod napięciem 13,8V - prąd nie jest ograniczany (ale nie może przekroczyć prądu ustawionego potencjometrem). W tej fazie akumulator może być pozostawiony na dowolnie długi czas. Po odpięciu akumulatora ładowarka wyłącza się. W związku z tym zwarcie zacisków wyjściowych nie powoduje żadnej reakcji.
    Podpięcie wyłączonej ładowarki do akumulatora spowoduje pracę wentylatora oraz przepływ prądu przez rezystory obciążające w gałęzi 12V (patrz niżej). Włączenie zasilania podczas takiego stanu nie spowoduje automatycznego startu ładowarki - nie rozpocznie się proces ładowania. Należy odłączyć akumulator i przyłączyć ponownie.

 

	ZASADA DZIAŁANIA

Schemat, wykaz części, płytka drukowana (zip)

    Z bocznika włączonego w przewód plusowy pobierane jest napięcie, które jest proporcjonalne do prądu płynącego przez tez przewód. Napięcie to (maks. 0,25V dla 10A) jest wzmacniane poprzez układ WO - tranzystor pnp (WO - wzmacniacz operacyjny). Wzmocnienie określone jest przez stosunek rezystancji R2/R1 (czyli x10). Wzmacniacz operacyjny U1D ma wzmocnienie regulowane potencjometrem w granicach x2 do x20 (około). WO U1A służy jako wtórnik separujący. Ponieważ regulacja odbywa się do napięcia referencyjnego TL494 (5V), więc minimalne całkowite wzmocnienie wynoszące x20 stabilizuje prąd o wartości 10A a maksymalne x200 - prąd 1A. Kondensator C1 i rezystor R7 tworzą filtr dolnoprzepustowy - bez niego pętla regulacyjna wzbudza się i słychać świerszczenie przetwornicy.
    Konfigurację wzmacniacza U1D wybrałem ze względu na bezpieczeństwo - przerwa w ścieżce potencjometru spowoduje stabilizację prądu na jakiejś minimalnej wartości, gdyż w tym wypadku WO U1D będzie działał jako komparator. Gdyby potencjometr włączyć w gałąź z R4 to rozwarcie P1 stabilizowałoby prąd 20A (czego zasilacz mógłby nie wytrzymać). Trzecia możliwa konfiguracja to WO U1D pracujący ze stałym wzmocnieniem a regulacja prądu doprowadzona z suwaka P1 do nóżki 12 U1. Sam potencjometr włączony podobnie jak regulacja głośności we wzmacniaczach audio. Tu sytuacja byłaby jeszcze gorsza gdyby P1 dostał przerwy na ścieżce od strony R2 - masa na nóżce 12 U1 to praca zasilacza na pełnej i niekontrolowanej mocy. A wiadomo jakie są "telpodowskie" potencjometry.
    Dioda D3 ogranicza spadek napięcia na kondensatorze C1 w czasie gdy zasilacz nie pracuje. Krótszy czas doładowania C1 podczas startu ogranicza impuls prądowy przy włączeniu. WO U2B to komparator naładowania akumulatora. W czasie fazy pierwszej na jego wyjściu jest 0V (no prawie 0). Poprzez diodę D4 blokuje on wtórnik U1B, który wraz z rezystorami R10 i R9 jest odpowiedzialny za utrzymywanie napięcia potrzymania (13,8V) na akumulatorze. Po osiągnięciu napięcia naładowania akumulatora następuje przerzut komparatora do stanu wysokiego na wyjściu - rezystor R13 wymusza dużą histerezę. Zostaje odblokowany U1B i od tego momentu ładowanie przechodzi w fazę drugą. Zapala się dioda DL2 a gaśnie DL1.
    U2A jest odpowiedzialny za włączenie zasilacza powyżej 10V i wyłączenie poniżej tegoż napięcia. U2D to komparator wyłączenia - gdy po odłączeniu przewodów od akumulatora układ kontroli prądu (lub napięcia) będzie chciał utrzymać stały prąd (lub napięcie) nastąpi wzrost napięcia na wolnych przewodach wyjściowych i powyżej 17V zadziała komparator U2D podając za pośrednictwem Q2 napięcie 5V na nóżkę 4 TL494 co spowoduje natychmiastowe wyłączenie zasilacza. Ponieważ R19 ustala głęboką histerezę, to napięcie w zasilaczu musi spaść poniżej 8V aby ponownie przerzucić wyjście U2D w stan wysoki. Dodatkowo diody D6 i D8 realizują funkcję AND dwóch komparatorów U2A i U2D, tak więc poniżej 10V zasilacz już będzie wyłączony poprzez U2A. Ostatni komparator U2C steruje diodą DL1 oznaczającą ładowanie akumulatora w fazie pierwszej.
    Dioda DL3 i rezystor R26 sygnalizują włączenie ładowarki do sieci 230V. Rezystor R26 należy zamontować ponad innymi elementami lub od strony druku w rurce izolacyjnej.
    Jeszcze słowo o zabezpieczeniu przed odwrotnym podłączeniem przewodów do akumulatora. Ponieważ taka "czynność" może spowodować poważne uszkodzenia zasilacza (i ładowarki) warto dodać diodę i bezpiecznik tak jak to pokazano na schemacie. Można również dodać diodę (taką jak ta zabezpieczająca) szeregowo pomiędzy boczniki a amperomierz aby rozwiązać problem zaniku zasilania podczas ładowania (nie jest ona pokazana na schemacie).
    Amperomierz jest elementem opcjonalnym - można również dorobić skalę do potencjometru i nakleić na obudowę.

	OPIS ZMIAN W ZASILACZU

    Będzie potrzebny sprawny zasilacz ATX na kontrolerze TL494. Jeśli jest niesprawny, to należy go naprawić ;-) Moc nie jest istotna (oczywiście co najmniej 200W). Na początek należy wyjąć płytkę zasilacza z obudowy - jeśli przewody sieciowe są wlutowane w płytkę to trzeba je odlutować. Tak samo postąpić z wentylatorem. W miejsce gdzie dochodzi zasilanie sieciowe należy dolutować przewód sieciowy (zakończony wtyczką). Ułatwi to testowanie i uruchamianie ładowarki.
    Bardzo ważne jest aby napięcie zasilające TL494 nie przekraczało 30V (nóżka 12). W sprawnym zasilaczu wynosi ono 20-25V. Jeśli jest wyższe od 25V należy wstawić kondensator C5 (na mojej płytce automatyki) na wyższe napięcie pracy. Jeśli napięcie referencyjne TL494 (nóżka 14) wykracza poza zakres 4,9-5,1V napięcia przełączania komparatorów (a więc i parametry ładowania) mogą się trochę różnić od podanych. Rozwiązaniem jest wymiana TL494 na inny egzemplarz.

    Konstrukcja zasilacza nie jest standardowa, ale też nie ma zbyt wiele różnic. Rysunek pokazuje fragment otoczenia TL494. A tutaj cały schemat, i drugi nieco inny.

    Zasilacz ma przeważnie zabezpieczenie nadnapięciowe i nadprądowe. Są dwa wyjścia: odcięcie zabezpieczeń albo przeliczenie na wyższe napięcia. Ponieważ to drugie może być dosyć skomplikowane to zostaje pierwsza możliwość. Zabezpieczenie przeważnie działa na nóżce 4 TL494, zwiększając napięcie na niej (można to sprawdzić woltomierzem). Na tej samej nóżce jest też zrealizowana funkcja włączania i wyłączania zasilacza - napięcie wyższe niż 4V wyłącza zasilacz. Tak więc na nóżce 4 należy zostawić tylko rezystor 10k do masy - większość zabezpieczeń przestanie działać.
    Na początek należy odciąć (lub odlutować) wszystkie przewody wyjściowe (wtyczki zasilania HDD i płyty głównej). Potem można usunąć przetwornicę 3,3V - wszystkie elementy. Gałąź 5V Stan-by (z dodatkowego trafo) również można usunąć. W niektórych "oszczędnych" wersjach zasilaczy może brakować rezystorów obciążających wyjścia. W takim wypadku należy je dołożyć, gdyż przy małych prądach zasilacz może wariować. Przetestowane przeze mnie wartości to:
        330om, 2W dla gałęzi 12V
        100om, 2W dla gałęzi 5V

    Teraz przychodzi czas na modernizację otoczenia TL494. Nóżkę 1 odciąć odizolować (przeciąć ścieżkę albo wylutować elementy). Następnie należy usunąć rezystor od nóżki 2 do masy i odciąć inne przyłączenia do niej z wyjątkiem obwodu RC z nóżki 3. Na nóżce 2 ma być pełne napięcie referencyjne (nóżka 14). Nóżka 3 jak na schemacie powyżej. Natomiast do nóżki 4 zostawić przyłączony tylko rezystor ściągający do masy (nie więcej niż 10k).
    Następnie trzeba zamontować bocznik prądowy (cztery równolegle połączone rezystory) - gdy przetwornica 3,3V została usunięta to zadanie robi się proste (jest dużo miejsca). I ostatnia rzecz to wstawić rezystor od 22 do 100 omów 2W w szereg z wentylatorem, aby obniżyć jego napięcie pracy o mniej więcej 3-5V (chyba wiadomo dlaczego).

    Wreszcie przychodzi czas na to czego elektronicy nie bardzo lubią - dopasowanie obudowy  ;-)  Czyli wiercenie otworu na potencjometr, LEDy i amperomierz (jeśli będzie) oraz bezpiecznik jeśli zostanie użyta oprawa przykręcana do obudowy. Zakładam, że wszystkie podzespoły i płytka ładowarki są już gotowe i czekają na zamontowanie. Blachę obudowy trzeba wygiąć od pionu (45st. wystarczy), wytrasować, wypunktować i powiercić. Najgorzej jest z amperomierzem - tu pilniczek w dłoń i trzeba wypiłować odpowiedni otwór.

    Potem montaż wszystkiego w całość. Sądzę, że schemat i zdjęcia wyjaśniają wszystko. Jak nie to email do mnie powinien działać...
Dodam jeszcze, że przewody wyjściowe mają być o przekroju co najmniej 2,5mm², ale polecam 4mm² i nie dłuższe niż 50cm (na przewód) ze względu na spadek napięcia, przykład: 10A, 50cm, 4mm² = 0,1V. Niby niedużo, ale jest dwa przewody, czyli 0,2V + tolerancja elementów (rezystorów) + bezpiecznik (tak, tak!) i napięcie końcowe może się różnić od 14,8V. Ktoś dociekliwy być może zauważy, że dzielnik R11/R12 ustala napięcie końcowe na 15V, ale z powodów opisanych wyżej wychodzi mniej więcej założone 14,8V.

    No i wreszcie przychodzi czas na uruchomienie: OSTROŻNIE i z ROZWAGĄ

    Uruchomienie można (a może należy?) przeprowadzić "na stole". Podłączyć zasilanie ok. 20V do J6, napięcie 5V do J5, zasilacz regulowany do J8 i przetestować działanie układu włączania i wyłączania zasilacza ATX sprawdzając napięcie na J4. Potem można sprawdzić działanie wzmacniacza napięcia z boczników podając na J1 i J2 odpowiednie napięcie (np. z potencjometru - suwak do J2) i mierząc wzmocnienie na nóżce 1 wzmacniacza U1. Gdy wszystko "gra" można zamontować płytkę w zasilaczu.
Po włączeniu do 230V powinna zaświecić się zielona dioda "zasilanie". Po podpięciu akumulatora powinno rozpocząć się ładowanie.

    Teraz trochę zdjęć mojej ładowarki:

Wnętrze ładowarki	Podłączenie sterowania do TL494
Na pierwszym planie boczniki, dalej amperomierz, bezpiecznik a w tle oryginalna dioda od przetwornicy 3,3V. Na górze płytka automatyki.	Ładowarka w akcji - prąd ładowania maksymalny: 10A, niestety amperomierz jest tylko do 8A

Już kilka osób zrobiło ładowarkę wg tej przeróbki, czasem z moją pomocą. Powodzenia!

Opracowanie (schemat, opis konstrukcji, zdjęcia): Grzegorz Gajewski, 11.2002
Prawa autorskie zastrzeżone. Dozwolone wykonanie na własny użytek.