Automatická nabíječka olověných akumulátorů

Při dobíjení bezúdržbových olověných akumulátorů (VRLA) je třeba určité šetrnosti. Pokud si normální nabíječkou z akumulátoru vyvaříte vodu, bude se vám těžko dolévat. Tu nejlevnější inteligentní nabíječku lze koupit pod 1000 Kč, tedy vyrábět ji z ničeho se nevyplatí. Ale já jsem doma měl jednu pěknou stařičkou osmi ampérovou. Tu jsem tedy přestavěl s použitím součástek, které jsem doma posbíral. Přístroj byl vybaven ručičkovým ampérmetrem MP80. Ten jsem nahradil stejným milivoltmetrem, u kterého je možno přepínat zobrazení napětí nebo proudu.

nabíječka

Způsob činnosti je stejný jako u většiny těchto přístrojů. Nabíječka pracuje v několika režimech:

Inicializace

Po zapnutí je výstup zdroje odpojen od výstupních svorek. Nabíječka měří na těchto svorkách napětí. Při připojení akumulátoru, který musí mít minimální napětí 10 V a musí být připojen ve správné polaritě, je výstup zdroje připojen na výstupní svorky a nabíječka přechází do dalšího režimu. Pokud se kdykoli během provozu dostane napětí na svorkách nabíječky mezi povolené meze 10?16 V, nebo je překročen maximální povolený proud 10 A, přejde nabíječka zpět do režimu inicializace. Během inicializace je na měřícím přístroji v režimu voltmetru zobrazováno napětí na svorkách nabíječky na horní stupnici, tedy od 0 do 10 V. Ve všech ostatních režimech je napětí zobrazováno na spodní stupnici, tedy v rozsahu od 10 do 15 V. Režim inicializace je signalizován blikáním červené LED v rytmu 100ms/100ms.

Zotavení z hlubokého vybití

V této fázi nabíječka produkuje malý proud (cca 150 mA) a setrvává v ní tak dlouho, dokud napětí na svorkách nevzroste na 12 V. Pokud by některý článek akumulátoru byl zkratován, tohoto napětí akumulátor nikdy nedosáhne. Chráníme tak ostatní články před přebíjením a možná před požárem nebo výbuchem. Po dosažení zmíněných 12 V přechází nabíječka do fáze hlavního nabíjení. Tento režim je signalizován blikáním žluté LED v rytmu 100ms/900ms.

Hlavní nabíjení

Během této fáze je proud omezován na 8 A a napětí je omezováno na 14,4 V. Nabíječka ale pracuje v režimu, kdy je napětí nižší a je tedy omezován proud. Při dosažení zmíněného napětí nabíječka přechází do režimu absorpčního nabíjení. Tento režim je signalizován blikáním žluté LED v rytmu 500ms/500ms.

Absorpční nabíjení

I během této fáze je proud omezován na 8 A a napětí je omezováno na 14,4 V. Ale tohoto napětí již bylo dosaženo, nabíječka tedy pracuje v režimu omezování napětí. S postupem nabíjení proud neustále klesá. Při poklesu proudu pod 1 A je akumulátor plně nabit a nabíječka přejde do režimu udržovacího nabíjení. Tento režim je signalizován blikáním zelené LED v rytmu 500ms/500ms.

Udržovací nabíjení

V této fázi je nabíjecí napětí omezováno na 13,65 V. Proud je omezován na 8 A, ale do režimu omezování proudu by se nabíječka neměla dostat. Prakticky to vypadá tak, že po ukončení absorpčního nabíjení klesne nabíjecí proud na nulu a nabíječka měří napětí akumulátoru. Toto napětí po chvíli klesne na zmíněných 13,65 V. V tuto chvíli začne nabíječka poskytovat proud na jeho udržení. V tomto režimu je možno akumulátor nechat připojený libovolně dlouho. Tento režim je signalizován blikáním zelené LED v rytmu 100ms/900ms.


Popis zapojení

Síťové napětí je transformováno klasickým transformátorem, který má sekundární vinutí 20 V/10 A. Je usměrněno můstkovým usměrňovačem, který v nabíječce byl. Po vyhlazení to tedy dá zhruba 28 V. Za ním je regulovaný zdroj. Pro dosažení vysoké účinnosti je to pulzní zdroj s výkonovým MOSFET tranzistorem. Výstup tohoto zdroje je na výstup nabíječky připojován pomocí relé zařazeného do kladné větve. V záporné větvi je zařazen bočník pro měření nabíjecího proudu. Nabíječka je řízena mikroprocesorem PIC16F1827. Vybral jsem právě tento typ proto, že jsem ho měl v šuplíku. Na dva kanály AD převodníku je připojeno napětí z bočníku (tedy napětí ze záporné výstupní svorky) přes odpor 1k a napětí z kladné výstupní svorky přes napěťový dělič 18k + 1k, tedy 1:19. Výstup prvního PWM řídí pulsní zdroj. Na výstup druhého PWM je připojen měřící přístroj. Procesor má ještě vstup, ke kterému je připojen přepínač zobrazení napětí nebo proudu, a ke třem jeho výstupům jsou připojeny signalizační LED.

nabíječka

Firmware, neboli KOS (Kreténský Operační Systém)

KOS je tak jednoduchý, že je těžké o něm něco napsat. Vytvořil jsem ho ve vývojovém prostředí MPLABX s použitím pomůcky MPLAB Code Configurator. Microchip to vyvinul poměrně nedávno a zdá se, že tahle věcička má perspektivu. Zmíněná pomůcka mi po pár kliknutích vygenerovala kód pro nastavení a obsluhu periferií a časovačů. Moje vlastní tvorba se potom odehrála na dvou stech řádcích v souboru main.c. Přerušení časovače 1 slouží k blikání signalizačních LED a jednou za sekundu je z něj zavolána funkce, která vyhodnocuje naměřené hodnoty napětí a proudu a provádí přechod mezi jednotlivými režimy nabíjení. Časovač 2 využívají pulsně šířkové generátory. V hlavní smyčce programu se měří napětí a proud a nastavuje se střída pulsně šířkových modulátorů. Za zmínku stojí softwarový filtr naměřených hodnot. Pulzní zdroj je vyladěn na vysokou účinnost a možná díky tomu generuje ostré napěťové špičky, které by mohly zkreslovat měření. Proto je naměřená hodnota průměrována.


Geneze

Tenhle projekt počtem neúspěšných verzí dobře zapadá mezi moje ostatní projekty.

První verze

Ve snaze o co nejjednodušší zapojení měla první verze výkonový N-FET v záporné větvi zdroje. Gate tohoto tranzistoru byl přes odpor 22 ohmů připojen přímo k výstupu z procesoru. Toto zapojení ale mělo několik nedostatků. FET byl běžný a napětí něco málo přes 4 V jej neotevíralo dostatečně pro potřebný proud. Bočník napěťově plaval a musel jsem měřit napětí na obou jeho stranách přes napěťové děliče. Důsledkem bylo velmi malé rozlišení při měření proudu. Napájení procesoru bylo shodné s napájením výkonové části. Tím jsem dosáhl velmi zajímavého jevu. Nabíječka i po vytažení ze zásuvky stále nabíjela ? tedy předstírala, že nabíjí. Procesor běžel z akumulátoru. No a konečně, při návrhu plošného spoje jsem podcenil protékající proudy a při pokusech mi jedna cesta shořela.

Druhá verze

Rozhodl jsem se umístit výkonový prvek do kladné větve spínaného zdroje. Ale protože jsem se nechtěl zabývat high-side budičem pro MOSFET tranzistor, sáhl jsem po bipolárních tranzistorech. O P-Channel MOSFET tranzistorech nemůže být řeč. Žádný doma nemám a i kdyby, jsou dražší a horší. Takže jsem použil PNP budič a k němu NPN výkonový tranzistor v takzvaném Sziklai páru. Bočník jsem přesunul do záporné větve a cestičky jsem zesílil. K můstkovému usměrňovači jsem doplnil ještě jednu kladnou větev, která slouží k napájení procesoru. Odstranil jsem tak perpetum mobile z první verze. Zázraky trpět nebudeme. Bohužel tohle řešení mělo závažný nedostatek ve velkém ztrátovém výkonu. Budící tranzistor musel mít v bázi dvouwattový odpor, sám se dost ohříval a o koncovém tranzistoru ani nemluvě. Při proudu 4 A už se jeho chladič zahřál přes 60 °C. Humus. Zpátky k MOSFETu.

Třetí verze

Smířil jsem se tedy s high-side driverem pro MOSFET. Ano, mohl bych ustoupit z kritéria, že všechno vytáhnu ze šuplíku a koupit za zhruba 30 Kč hotový budič. K němu bych doplnil stabilizátor na 12 V a měl bych vystaráno. Ale to by bylo nekreténské. Ne ne, hezky si vyrobím budič z diskrétních součástek, abych ho dokázal napájet rovnou z 28 V, které mám k dispozici. Poměrně rychle jsem se zbavil myšlenek na bootstrap zapojení. Problematické bylo jednak napájecí napětí, příliš vysoké na to, abych ho bootstrapem napral do vstupu MOSFETu, a také fakt, že na výstupu zdroje je připojen akumulátor, tedy toto napětí neklesá k nule. Nejlepším řešením se zdálo oddělení pomocí transformátoru. Jsem dalek toho, abych vynalézal vynalezené, takže nastala fáze googlování. Začátky nebyly příliš dobré. Objevil jsem spoustu teoretických keců, které většinou končily konstatováním, že pulsní transformátor lze krásně vypočítat, ale v praxi to dopadne úplně jinak, když se projeví faktory, které jsme pro zjednodušení výpočtu zanedbali, a faktory, o kterých jsme neměli ani tušení.

Nicméně po pár hodinách se nakonec dostavil úspěch v podobě praktických rad návrhu budiče pro Teslův transformátor (http://omapalvelin.homedns.org/tesla/SSTC/general-sstc-notes-gatedrv.htm). Ten článek mě nadchnul. Pečlivě jsem ho prostudoval a na jeho základě jsem navinul pulsní transformátor. Použil jsem převod dolů v poměru 1:2. Vinutí má asi 15 závitů, aby to bylo krásně kolem dokola toroidu, a je navinuto tetrafilárně. Dvě cívky jsou spojeny do série a tvoří primár, dvě jsou spojeny paralelně a tvoří sekundár. Možná by stačilo trifilární vinutí bez zdvojování sekundáru.

Při napájecím napětí 28 V je na výstupu budiče signál s rozkmitem zhruba 12 V, který je díky jednoduchému obvodu na sekundáru prakticky celý posunutý do kladných hodnot. Odběr budiče je zhruba 40 mA. Mezi budič a výkonový FET jsem zařadil odpor 22 ohmů, který zmenšuje zákmity na náběžných hranách budícího signálu. Použil jsem tranzistor IRFP150 ze staré UPSky a budič s ním tak cvičí, že i při maximálním proudu je studený jako psí čumák. Nejteplejší součástkou spínaného zdroje je tlumivka. Tady také stojí za zmínku konstelace kondenzátorů. Kdyby někomu vrtalo hlavou, proč je tam paralelně několik malých kondenzátorů místo jednoho velkého, tak vězte, že je to kvůli ztrátám. Menší kondenzátory mají menší sériový odpor, který takto navíc řadíme paralelně. A několik menších kondenzátorů má v součtu větší povrch a může mezi nimi proudit vzduch, takže se lépe uchladí.

Při oživování jsem narazil na zajímavý problém. U bočníku a napěťového děliče pro měření napětí jsem chtěl hodnoty z AD převodníků korigovat podle skutečně naměřených hodnot. Mám doma několik digitálních multimetrů. Zkusil jsem dva, ale každý ukazoval něco jiného. Tak jsem vzal další. Vyloučil jsem jeden, který výrazně vyčníval z řady a ze zbylých hodnot jsem vzal průměr. Během měření jsem také přišel na to, že úbytky napětí nejsou zanedbatelné. Při osmi ampérech je rozdíl mezi napětím akumulátoru a napětím na výstupu spínaného zdroje asi 470 mV, což už je dost. Zhruba 250 mV se ztrácí na jističi. Ten sice není potřeba, ale vzhledem že v té nabíječce už byl, chtěl jsem jej zachovat. Být puntičkář, použil bych pro měření napětí na akumulátoru samostatné vodiče. Ale já jsem zvolil kompromisní řešení a úbytek napětí kompenzuji výpočtem v procesoru.

nabíječka

Dost řečí. Tady je celý projekt ke stažení.

P15/1, K15 - prosinec 2006, naposledy aktualizováno: září 2015