Nabíječ olověných akumulátorů.

Úvod.

Po třiceti letech bezproblémové funkce mému otci odešla nabíječka kterou jsem mu kdysi postavil. Bohužel zařízení bylo v podstatě neopravitelné a morálně zastaralé. Nejprve jsem o stavbě tak běžně prodávaného zařízení vůbec neuvažoval. Vycházel jsem z předpokladu že je dnes nabíječka tak levná že se ji nevyplatí vyrábět. Zakoupil jsem tedy za necelých 900kč nabíječku která měla splňovat vcelku minimální požadavky které jsme na ní kladli. Doma jsem ji ze zvědavosti otevřel a zhrozil jsem se. Uvnitř nebylo nic než velmi poddimenzovaný transformátor a stejně poddimenzovaný můstkový usměrňovač. Podle návodu nabíječka měla po nabití akumulátoru ukončit nabíjení. Ovšem uvnitř žádná elektronika která by něco takového měla udělat tam nebyla. Změřil jsem výstupní napětí a zjistil jsem že při přepnutí na jedno napětí by nabíječka akumulátor silně přebíjela, na druhém napětí by naopak akumulátor nikdy plně nenabila. Jednotlivé komponenty byly uvnitř skříňky propojeny smaltovanými vodiči, které na sobě na několika místech ležely, takže by to byla jen otázka času než by se smalt porušil a došlo ke zkratu. Naštěstí pro mě byla zaseknutá mechanika ampérmetru takže jsem nabíječku reklamoval a prodejce mi vrátil peníze. Za těch necelých 900kč jsem pak s využitím šuplíkových zásob postavil nové nabíječky pro svého otce i bratra.

Pozor změna ! Nový firmware 31.1.2017. Opravuje chybu původního firmware a přidává méně výkonnou verzi nabíječky. Chyba původního firmware byla v tom že nefungovala vybíjecí větev. Stahněte si novou verzi a nahrajte do procesoru.

Fotografie Nabíječe

Výběr konstrukce:

Nejprve jsem prolezl internet ale zjistil jsem že nabídka možných konstrukcí je kupodivu dost chudá. Buď šlo o velmi jednoduchá zařízení podobná té koupené nabíječce nebo jednoduchá analogová zařízení s lineární regulací která však při požadovaném proudu mají vysokou ztrátu takže by bylo potřeba nucené chlazení. Další konstrukce využívaly běžné PC zdroje s upravenou regulací. To není špatný nápad, ale nemám moc dobré zkušenosti s PC zdroji. V naší garáži je zima, mráz a vlhko. Obávám se že by PC zdroj v těchto podmínkách dlouho nepřežil. A nakonec ze objevily dokonalé a překomplikované nabíječky řízené procesorem. Umožňují nabíjet cokoliv co si jen dokážete představit a mají víc funkcí než automatická pračka. Jejich ovládání je ale překomplikované. Autoři se zřejmě předhánějí ve vymýšlení způsobů jak co nejmenším počtem tlačítek ovládat co největší počet funkcí.
Nabíječka pro mého otce musí být co nejjednodušší. Tlačítková volba nepřipadá v úvahu. Nabíječka musí umožňovat přepínání 6/12V. A dále přepínání nabíjecího proudu. Nic víc není potřeba. Po dosažení plného nabití musí nabíječka vypnout nabíjení. A předpokládám měření a zobrazení výstupního napětí a proudu. To jsou vlastně veškeré požadavky které jsou na naši nabíječku kladeny. Nakonec jsem se rozhodl pro vlastní konstrukci. Vzhledem k tomu, že se právě učím programování procesorů byl to vlastně dobrý výukový projekt.

Popis zapojení:

Silová část nabíječky je zapojena jako snižující pulsní měnič. PWM signál, kterým je měnič řízen je vytvářen procesorem ATMEGA88-20PU.

14.12.2020 - Pozor Chyba !
Bohužel se ukázalo, že jsem při návrhu zapojení přehlédl jednu důležitou věc. Při sepnutí tranzistoru T4 je jeho Gate zkratována tranzistorem T2 na zem. To znamená že je na G T4 plné vstupní napětí. Ovšem mezní napětí Ug tranzistoru T4 je 20V. Já pro napájení měniče používám cca 20V, takže se u mě závada neprojevila. Ale při zvýšení vstupního napětí se překročí mezní hodnota Ug a dojde k průrazu gate T4 a následně i ke zničení tranzistorů T2 a T3. Řešení by mělo být snadné. stačí proškrábnout na DPS spoj mezi C T2 a zemí a mezi C T2 a zem zapojit zenerovu diodu o vhodném napětí - tak, aby napětí na G2 dosahovalo cca 10 až 17V. V případě napětí 24V bych tam dal zenerovu diodu cca 10V takže maximální napětí na G T4 bude 14V. Tuto úpravu nemám vyzkoušenou ale předpokládám, že je to postačující řešení tohoto problému.

Firmware tohoto procesoru řídí všechny funkce nabíječky. Napsaný je v jazyce Bascom. Zapojení je díky němu velmi jednoduché. Procesor je srdcem celé nabíječky. Na vstupu nabíječky je použit transformátor který vstupní napětí 230V transformuje na nízké napětí vhodné pro regulaci. Výstupní napětí silové části je přibližně 17V. Následuje můstkový usměrňovač a baterie vyhlazovacích kondenzátorů. Na nich je špičkové napětí až necelých 25V. Ideální by bylo napětí přibližně 20V ale použil jsem takový transformátor který jsem měl v šuplíku. Mezi baterií kondenzátorů a spínacím tranzistorem je 10A pojistka. Ta má za úkol ochránit akumulátor před případným zničením spínacího tranzistoru. V takovém případě proteče do výstupních svorek a do baterie velký, ničím neomezený proud čímž se přepálí tato pojistka a ochrání baterii před poškozením či zničením. Za pojistkou již následuje snižující měnič realizovaný spínacím P-MOS tranzistorem T4, rekuperační diodou D1 a tlumivkou L1. Tyto výkonové prvky jsem získal ze starých PC zdrojů. Výstupní napětí je vyhlazeno dvěma LOW-ESR kondenzátory C4 a C5. Použití kvalitních nízkoimpedančních kondenzátorů je na tomto místě nutné. Dioda D7 na výstupu má za úkol zabránit v případě vypnuté nabíječky vybíjení akumulátoru do nabíječky. POZOR! nezabrání zničení nabíječky v případě přepölování akumulátoru. Proto buďte při připojování akumulátoru pozorní. Diodu D7 jsem rovněž získal ze starého PC zdroje. Nezáleží příliš na přesném typu výkonových součástek. Je možné použít cokoliv s podobnými parametry. Já prostě použil to co jsem našel v šuplíku. Spínací tranzistor T4 je ovládán PWM výstupem OC1A z procesoru. Kmitočet PWM signálu je přibližně 20kHz. Pro rychlé spínání tranzistoru je nutné použití driveru sestaveného z tranzistorů T2 a T3. Ty dokáží velmi rychle nabíjet a vybíjet kapacitu G a tak snížit spínací ztráty v tranzistoru T4. Dělič R1 a R27 má za úkol posunout spínací napětí tak aby napětí mezi G a S tranzistoru nepřesáhlo přibližně polovinu špičkového napájecího napětí. Kdybychom nevložili odpor R27 překročilo by napětí na G maximální katalogovou hodnotu.
Abychom mohli regulovat výstupní napětí a proud musíme tyto veličiny měřit. Pro měření využívám A/D převodníky ADC0 a ADC1 integrované v procesoru. Výstupní napětí se měří přes dělič z odporů R23, R18 a R19. Trimrem R23 se nastavuje přesná hodnota měřeného napětí. Proud se měří na bočníku tvořeném z odporů R9 až R11. Napětí z bočníku je zesíleno OZ OP07. Jeho zesílení je 20x. Přesná hodnota měřeného proudu se nastavuje trimrem R22. Odpor R17 a kondenzátor C16 tvoří RC dolní propust která má za úkol odfiltrovat spínací kmitočet a jehlové impulsy na měřeném proudu. Stejný úkol má kondenzátor C23 a odpor R18 při měření napětí.
Staré knížky o nabíjení akumulátorů doporučují nabíjet olověné akumulátory impulsním proudem a v mezerách mezi nabíjecími impulsy dokonce malým proudem akumulátor vybíjet. Údajně to má přispět k lepší kondici akumulátoru. Já jsem se rozhodl tuto techniku použít taky. K vybíjení slouží tranzistor T5 a odpor R4 kterým je nastaven vybíjecí proud na přibližně 0,45A při 12V a poloviční při 6V. Všechny Zenerovy diody 5V2 na portech procesoru slouží jako ochranné prvky proti nenadálým poruchám a případnému přepětí na chráněném portu. Konektor SW1 je standardní ISP konektor sloužící k programovaní zapájeného procesoru. Při programování musí být nabíječka zapnuta. Pojistka typu polyswitch F2 slouží na ochranu připojeného programátoru proti poškození vyrovnávacím proudem mezi nabíječkou a PC při programování. O tom se zmíním později.

Nabíječka má několik ovládacích prvků:

Přepínač 6/12V
Přepínač proudu
Tlačítko start/Stop

Přepínač 6/12V je připojen na port PB2
Přepínač proudu je připojen na porty PC3 až PC5. Přepínač má 4 polohy. Přepínají se hodnoty proudů 2A, 4A, 6A a 8A. Při přepnutí na proud 2A jsou všechny kontakty rozepnuty, při ostatních proudech se postupně spojují jednotlivé kontakty na zem.
Tlačítko start/stop je připojeno k portu PB0. Jeho stisknutím se zapne nebo vypne nabíjení.
K procesoru jsou připojeny 2 LED diody. Červená signalizuje nabíjení, zelená se rozsvítí v okamžiku plného nabití připojeného akumulátoru.
Procesor vypisuje naměřené hodnoty a provozní stavy na LCD displej s 2x16 znaky. Displej s procesorem komunikuje běžným čtyřbitovým připojením. Trimrem R24 se nastavuje kontrast displeje. Přes odpor R20 se přivádí do displeje napětí pro podsvícení. Velikost tohoto odporu je nutné nastavit podle odběru podsvícení konkrétního displeje.
Procesor se napájí přes stabilizátor 78L05 z napájecího napětí. Odpor R3 má za úkol rozložit výkonovou ztrátu mezi sebe a stabilizátor. Napájecí napětí 5V je využito i jako referenční napětí. Proto není žádoucí aby se stabilizátor silně ohříval. Docházelo by ke změnám napájecího napětí a snížení přesnosti měření a regulace. Pro snížení šumu A/D převodníků je analogové napájení odděleno od digitálního tlumivkou Tl.1 a filtrováno kondenzátorem C17.
Kladné napětí 6V pro IC1 se získává z napájecího napětí pro měnič a je stabilizováno zenerovou diodou D6. Záporné napětí pro tento OZ se získává z pomocného vinutí na transformátoru. Já měl k dispozici vinutí 8V a proto jsem ho využil. Střídavé napětí 8V je jednocestně usměrněno diodou D4 a následně stabilizováno zenerovou diodou D4.

nastavení pojistek při programování procesoru:

Pozor změna ! Nový firmware 31.1.2017. Opravuje chybu původního firmware a přidává méně výkonnou verzi nabíječky

Firmware v 1.2 ve formátech bin a hex. Tento archiv obsahuje firmware pro 2 různě výkonné nabíječky. Úprava pro motocykly je ve všech funkcích stená jako popisovaný firmware ale nabíjecí proudy jsou 0,6A, 1,5A, 3A a 4A

Mechanické provedení:

Celá nabíječka je postavená na jedné jednostranné desce plošných spojů. Jak již jsem se zmínil v garáži, kde má být umístěna nepanují právě příznivé klimatické podmínky. Zima, mráz, vlhko. Proto jsem se rozhodl použít klasickou montáž, na DPS pokud možno co největší mezery mezi spoji. Kdybych použil SMD součástky a minimální mezery mezi spoji mohlo by při případném navlhnutí DPS dojít k ohrožení funkčnosti nabíječky.

Klišé DPS

Takto je přece jen větší šance že nabíječka popisované nepříznivé vlivy delší dobu přežije. Nakonec důkazem toho je dlouhodobá funkčnost předchozí nabíječky ve které nakonec odešel transformátor.
Deska plošných spojů má na jedné straně všechny výkonové prvky, kterými je přišroubována k bočnímu chladiči. Všechny výkonové prvky jsou od chladiče odděleny izolačními podložkami. Usměrňovací můstek je rovněž přišroubován k chladiči a na jeho fastony jsou nastrčeny přívodní vodiče zakončené rovněž faston konektory. Deska plošných spojů s chladičem tak tvoří mechanicky ucelenou jednotku. Kondenzátory C20 až C22 jsou v provedení SMD a připájené ze strany spojů. Nějak už se mi na desku nevešly a nechtělo se mi kvůli tomu předělávat nebo zvětšovat DPS.
Na místě F1 jsem použil běžnou automobilní pojistku s Faston vývody. Do DPS jsem připájel krátké a tlusté vodiče zakončené faston konektory do kterých je pojistka zastrčena.
Důležité je provedení cívky v měniči L1. Použil jsem na ni dvě žlutobílá toroidní jádra o vnějším průměru 27,5mm z tlumivky v PC zdroji. Tato jádra jsem slepil dohromady takže vznikl jeden tlustý toroid. Na tento toroid jsem po celém obvodu namotal 20závitů drátem o průměru 1,4mm. Doporučuji zkontrolovat indukčnost navinuté cívky. Měla by být přibližně 80uH.
Celá nabíječka je vestavěna do plechové krabičky. Transformátor je přišroubován ke dnu krabičky. Čelní a zadní panely jsou vyrobeny z kuprextitu. Na čelním panelu jsou umístěny ovládací prvky a displej. Obdélníkové díry pro displej, vypínač a přepínač 6/12V jsou odfrézovány tenkou frézou. Displej a držák LED diod jsou k čelnímu panelu připevněny přes distanční sloupky které jsou j čelnímu panelu připájeny. Popisy na čelním panelu jsem vytiskl laserovou tiskárnou na papír. Ten jsem pak zalaminoval do samolepící laminovací fólie a takto vzniklou nálepku s popisy jsem na čelní panel přilepil.

Fotografie vnitřku nabíječe

Oživení nabíječky.

Pokud jste v zapojení neudělali nějakou chybu nabíječka pracuje na první zapojení. Přesto ale doporučuji postupovat při ožiování v postupných krocích aby důsledky případné chyby byly snadno a včas odhaleny.
Osaďte celou nabíječku kromě procesoru a IC1. DPS spojte s chladičem a izolovaně na něj přišroubujte všechny výkonové prvky a usměrňovací můstek. Na vstupy pro střídavý proud můstkového usměrňovače připojte napětí cca 19V ze stabilizovaného zdroje s nastaveným proudovým omezením cca 0,5A. Ze zdroje by do nabíječky nemělo téci víc než přibližně 120mA. Většinu tohoto proudu spotřebovává podsvícení LCD displeje. Změřte napětí 5V pro napájení procesoru. Toto napětí by mělo mít pokud možno co nejmenší odchylku od 5V protože je využíváno i jako referenční napětí pro A/D převodníky. Od nabíječky se nepředpokládá žádná závratná přesnost, proto takové řešení postačí. Dále zkontrolujte napětí kolem 6V na Zenerově diodě D6. Na výstupní svorky připojte zátěž okolo 20 ohmů a na spoj R6 s D2 připojte výstup z generátoru obdélníkového průběhu s TTL úrovní. Na generátoru nastavte kmitočet 20kHz a střídu 50%. Na výstupních svorkách by teď mělo být napětí přibližně kolem poloviny napájecího a nabíječka odebírá zvýšený proud. Je vhodné osciloskopem zkontrolovat průběh impulsů na kolektoru T1, G T4 a katodě diody D1.
Pokud je vše v pořádku můžete zvětšit zátěž na výstupních svorkách. Lze použít např. automobilní žárovky nebo elektronickou umělou zátěž. Napětí na výstupu by se stále mělo držet v okolí poloviny napájecího napětí a odběr stoupá úměrně zátěži. Zkontrolujte teplotu výkonových součástek a cívky L1. Cívka L1 se ohřívá nejvíce. V ostrém provozu při plném proudu se ohřeje až na cca 70°C. Nepokoušel jsem se o další optimalizaci. Jistě by pomohlo použít lepší materiál toroidu, použití tlustšího drátu nebo použití VF lanka na vinutí cívky.
Pokud je vše v pořádku osaďte IC1, procesor a displej. Nabíječku zatím stále napájejte ze zdroje s proudovým omezením a k IC1 přiveďte i záporné napájecí napětí. Na displeji by měla být viditelná jedna řádka černých kostiček. Trimrem R26 nastavte požadovaný kontrast displeje. Pokud řádka kostiček není vidět je to obvykle způsobeno špatně nastaveným kontrastem. Proto protočte potenciometrem na obě strany až se kostičky objeví.
Pomocí ISP konektoru do procesoru nahrajte program a programátor neprodleně odpojte. Nezapínejte nabíjení s připojeným programátorem. U mě v okamžiku kdy naskočil měnič nabíječky začal téci velký vyrovnávací proud mezi zemí nabíječky a PC. Naštěstí to odnesl jen USB HUB kterým je programátor připojen k PC. Bylo by ideální pro takovéto věci používat izolovaný USB převodník. Pak by k takovýmto nepříjemným překvapením nemohlo dojít. Aby se vyrovnávací proud v případě zapomenutí omezil připojil jsem zemní vývody ISP konektoru k zemi nabíječky přes polyswitch F2. Přesto ale důrazně doporučuji po naprogramování procesoru programátor odpojit a teprve potom zkoušet zapnout nabíjení.
Pokud se naprogramování procesoru podařilo, měl by se nejprve na 2s objevit úvodní text informující o verzi SW a pak program přejde do pohotovostní polohy. Na výstupních svorkách stále není napětí, měnič neběží a zobrazené napětí a proud jsou nulové. Nezapomeňte na odpojení programátoru. Na výstup nabíječky připojte akumulátor. Na displeji se zobrazí napětí tohoto akumulátoru. Tak můžeme rychle kontrolovat napětí akumulátoru. Nabíječka v tomto módu funguje vlastně jako voltmetr. Zvolte požadované napětí a proud. Potom stiskněte tlačítko start. Měnič začne pracovat, nabíječka měří výstupní napětí a proud. Kontrolními měřidly změřte skutečné napětí a proud a nastavte správné hodnoty zobrazované na displeji trimry R23 a R22. Nabíječka periodicky přepíná mezi nabíjením jmenovitým proudem a vybíjením. Nabíjení trvá přibližně 10s a vybíjení asi 1s. Na displeji se zobrazuje napětí při nabíjení a napětí při vybíjení. To nám umožňuje udělat si lepší obrázek o stavu baterie.
Pokud je napětí akumulátoru nízké, nabíječka nabíjí nastaveným proudem. Když napětí na výstupních svorkách dosáhne nabitého stavu začne se proud omezovat a nabíječka přejde na udržování konstantního napětí. Napětí při kterém nabíječka začne omezovat proud je 7,4V v poloze 6V a 14,8V v poloze 12V. Když proud klesne pod 1/5 jmenovitého nabíječka ukončí nabíjení, na displeji zobrazí stav NABITO a rozsvítí zelenou LED. Nabíjení lze rovněž kdykoliv ukončit opětovným stisknutím tlačítka start. Úbytek napětí na odporech R9 až R11 se dopočítává procesorem ze známého odporu a proudu a odečítá se od naměřeného napětí.

Dosažené výsledky a možnosti vylepšení

Nabíječka funguje jak má, proud reguluje s přesností cca 100 až 200mA. Údaje na displeji jsou ale trochu nestabilní. Je to způsobeno tím že se mi na výstup nabíječky přenáší pila ze vstupního napětí. Dokud jsem zdroj napájel ze stabilizovaného zdroje tento problém nenastával. I přes to, že průměruji údaj z 50ti naměřených hodnot nepodařilo se mi nestabilitu údajů zcela eliminovat. V aktuální verzi SW 1.1 se totiž reguluje měnič každých 20ms. Abychom dokázali vyhladit výstupní napětí potřebovali bychom regulovat v asi 10x kratších intervalech. Současná verze SW nevyužívá přerušení. Regulace proběhne v každém průběhu hlavní programové smyčky která trvá přibližně zmiňovaných 20ms. Pro rychlejší regulaci by bylo nutné upravit SW tak, abychom regulovali v rutině přerušení od časovače každé přibližně 2ms. To by mělo výrazně potlačit pilový průběh na výstupu nabíječky. Program který by to uměl mám napsaný, ale nakonec mě přepadla lenost a už jsem se nedostal k jeho otestování a odladění :-). Při mých zcela začátečníckých schopnostech by mi to zabralo dalších několik hodin nebo spíš dní a nakonec jsem dospěl k názoru, že to vlastně není potřeba. Nabíječka funguje jak má a nestabilní údaje jsou jen vada na kráse. Pro mé účely je funkčnost přístroje zcela dostatečná.
Bylo by možné nabíječku místo transformátoru napájet z impulsního zdroje cca 24V/5A. Takové zdroje v průmyslovém provedení lze dnes již poměrně levně sehnat. Pokud by se měl transformátor kupovat mohl by být impulsní zdroj levnější a jeho použití by nestabilitu údajů vyloučilo. Záporné napětí pro OZ by se mohlo získat malým měničem třeba z obvodu NE555 nebo použít hotový miniaturní měnič 5V/5V který lze rovněž získat celkem levně. Při použití spínaného zdroje by se dále nemusela osazovat vstupní baterie kondenzátorů která taky není právě levná.