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)

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.

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.
Niestety do wybranej konfiguracji jest jedno ale: aby regulacja prądu w funkcji obrotu potencjometru była jak najbardziej płynna (liniowa) potencjometr musi być klasy C (charakterystyka wykładnicza). Niestety nie są one popularne, więc zostaje klasa A (liniowa).
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.

Będzie potrzebny sprawny zasilacz ATX. 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.

Ponieważ konstrukcja zasilacza nie jest standardowa, trzeba sprawdzić czy użyty zasilacz może być łatwo przesterowany aby otrzymać napięcie co najmniej 16V w gałęzi 12V. W tym celu należy dolutować potencjometr montażowy 47 lub 100 "kiloom" pomiędzy nóżką 1 kontrolera przetwornicy TL494 a masą. Potencjometr nie może wisieć na przewodach - należy go dolutować równolegle z rezystorem. Rysunek pokazuje fragment otoczenia TL494.

Potencjometr należy ustawić na największą rezystancję - najlepiej zmierzyć omomierzem rezystancję między pin1 TL494 a masą. Powinna niewiele odbiegać od wartości rezystora. Po obciążeniu gałęzi wyjściowych (patrz niżej) można załączyć zasilacz do sieci. Teraz trzeba podłączyć woltomierz pod gałąź 12V i włączyć zasilacz zwierając przewód PS_ON z masą (pin 14 i pin 15 we wtyczce ATX). Woltomierz powinien wskazać około 12V. Mam nadzieję, że tak wskaże, bo inaczej może być BUM (jak będzie za duże). A więc OSTROŻNIE!
Teraz pokręcić powoli potencjometrem i obserwować wskazania woltomierza. Jeśli dojdzie się do 15-16V to wszystko w porządku - zabezpieczenie jest ustawione na wyższe napięcie (jeśli wogóle jest jakieś zabezpieczenie nadnapięciowe). Ponieważ kondensatory w gałęzi 12V są na napięcie 16V to ze zrozumiałych powodów nie należy podnosić napięcia wyżej. Wskazane jest wymienić te kondensatory na większej pojemności i napięciu 25V, ale niewiele miejsca przeznaczone na kondensator w zasadzie to wyklucza.
Jeśli zasilacz się wyłącza to niestety działa zabezpieczenie. 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. Dlatego należy najpierw rozpoznać sposób podłączenia zabezpieczenia w posiadanym zasilaczu. Dodam też, że zabezpieczenie może być również dołączone do nóżki trzeciej.
Po dalszych testach w swojej ładowarce odłączyłem wszystkie zabezpieczenia. Zostało tak: nóżka 3 jak na schemacie, nóżka 4 tylko rezystor do masy (u mnie 10k)

Zasilacz przetestowany - demontaż potencjometru i dalsze czynności.
Na początek należy odciąć (lub odlutować) wszystkie przewody wyjściowe. Potem można usunąć przetwornicę 3,3V - wszystkie elementy, jeśli oczywiście napięcie 3,3V jest obniżane z 5V za pomocą tej właśnie przetwornicy. W przypadku gdy napięcie 3,3V jest brane z odczepu lub oddzielnego uzwojenia transformatora to raczej należy zostawić tak jak jest (nie robiłem testów na takim zasilaczu). 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
        47om, 1W dla gałęzi 3,3V
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 - 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 47 omów 1W w szereg z wentylatorem, aby obniżyć jego napięcie pracy o mniej więcej 3V (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.
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.

OSTROŻNIE i z ROZWAGĄ bo NIE PONOSZĘ ODPOWIEDZIALNOŚCI ZA WSZELKIE SZKODY WYNIKŁE Z BRAKU MYŚLENIA

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.


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

To już koniec. Ładowarka działa, "micha zadowolona" ;-) - moja oczywiście.
Opis ten może wydawać się nieco chaotyczny, ale to jest pierwsza odsłona. Być może o czymś zapomniałem napisać. Jeśli coś niezrozumiałe, wątpliwe, to wiadomo do czego służy email. Powodzenia!

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