Podrobnosti

Kategorie: Elektrotechnika

Zveřejněno: 9. 3. 2005 18:39

Zobrazení: 21422

V minulém čísle jsem slíbil, že poskytnu kompletní informace pro stavbu univerzální nabíječky Li-Ion článků. Protože podkladů ke stavbě je poměrně velké množství, bude návod rozdělen na dvě části. V tomto čísle si povíme něco málo o zapojení, plošném spoji a oživení a v příštím pak o zástavbě do vhodné krabice, připojení konektorů, přepínačů atd.

Nápad, že bych postavil nabíječku Li-Ion, která by byla víceúčelová se zrodil ve chvíli, kdy se mi podařilo najít zdroj omezeného množství nových nepoužitých článků. V té době jsem toho o Li-Ionkách a jejich nabíjení mnoho nevěděl, takže jsem se pustil do stavby nabíječek na základě speciálních nabíjecích obvodů. Narazil jsem však na již minule popsané problémy s nefunkčností (v jednom případě) a nedostupností obvodu (v druhém případě). Nasbíral jsem však tímto způsobem poměrně dost informací, takže jsem se nakonec rozhodl, že navrhnu nějaké jednoduché zapojení sám.

Většina jednoduchých nabíjecích obvodů (vyjma spínaných a rychlonabíjecích) jsou defakto lineární zdroje konstantního napětí s proudovým omezením, což zajistí, že až do dosažení koncového napětí jsou články nabíjeny konstantním proudem a po dosažení koncového napětí tento automaticky klesá až do nuly bez potřeby jakýchkoliv dodatečných obvodů či nějaké detekce konce nabíjení. Princip je to jednoduchý a bezpečný za předpokladu, že je skutečně koncové napětí dodrženo s předepsanou tolerancí. U Li-Ion článků udávají výrobci obvykle 1% povolené překročení koncového napětí, což na jeden článek dělá 0.041 – 0.042 V. Většina nabíječů však i tak nabíjí raději o něco méně než na 100% (z důvodů bezpečnosti – například nabíječky pro mobilní telefony od některých výrobců nabíjí na cca 90%). Rozhodl jsem se tedy navrhnout nabíječku, kde by si modelář při jejím oživení sám nastavil, jaké je přesné koncové napětí na článek a tím rozhodl o tom, jak bezpečně chce s Li-Ionkami zacházet. Sám mám nastaveno s pomocí zapůjčeného kalibrovaného multimetru) 4.10 / 4.20V na článek a to tak přesně, že se koncové napětí nikdy neliší více než o 0.01V, což je s ohledem na povolenou toleranci a použitý obvod velmi dobrý výsledek. Nabíjím tak na 100% nominální kapacity a to bez nejmenších problémů.

Při volbě zapojení zdroje napětí s proudovým omezením jsem měl na výběr – buď stavět něco na základě běžných diskrétních součástek a pak takové zapojení dovybavovat všemožnými pojistkami (proti překročení proudu, proti přehřátí atd.), nebo použít některý z integrovaných stabilizátorů, které již toto všechno mají v sobě zabudováno. Nakonec zvítězil integrovaný stabilizátor L200 (IO1), který lze poměrně snadno nastavit a i jeho přesnost je pro takový účel jako je nabíjení Li-Ion dostatečná. Jediné co mi na tomto obvodu vadilo, byl problém s jeho možným zničením, pokud by se články připojily opačně. I to však výrobce obvodu v originální dokumentaci řeší, takže jsem se řídil popisem a přidal pár součástek navíc (diody D1, D2 a rezistor R2). Díky tomu, že výstupní napětí je snímáno až za diodami, je při řízení L200 úbytek na diodě D2 ignorován. Trošku potíže způsobí R2, neboť úbytek na něm poněkud rozhodí původní vzorce pro výpočet potřebných děličů, ale s tím se již případný zájemce o stavbu nemusí zabývat, neboť jsem tento problém vyřešil za něj a hodnoty jsou ve schématu uvedeny.

Další věcí, kterou jsem chtěl vyřešit bylo přepínání rozsahů. Nejjednodušší co mě napadlo bylo použití kvalitních otočných vícepólových vícepolohových přepínačů. Hlavní přepínač (Př.1) ovládá počet článků pomocí volby jednoho ze 4 rezistorů (R4-R7) s příslušnými trimy (P1 – P4). Tento přepínač má navíc ještě další dvě funkce – přepíná totiž vstupní napětí pro L200 (pro snížení výkonové ztráty je použito plné či poloviční napětí) a současně slouží i pro přepínání děliče před vstupem do vyhodnocovacích obvodů signalizace stavu nabíjení.

Aby byla nabíječka co možná nejuniverzálnější, chtěl jsem aby uměla nabíjet nejen nejběžnější články s koncovým napětím 4.2V, ale i méně běžnou 4.1V variantu. Ověřil jsem si, že postačí na vstup 4 obvodu L200, kde se nachází konstantní napětí, přidat rezistor (proud se zde nemění v žádném režimu) a díky úbytku na tomto rezistoru (P7) tak posunout výstup velmi bezpečně a přesně o násobek 0.1V nahoru.

Protože nabíječka musí umět nejen nabíjet, ale měla by i uživateli říci, v jaké fázi se právě nabíjení nachází, či jej upozornit na nějaké výjimečné provozní stavy či chyby, obalil jsem vzniklý obvod signalizací několika stavů:
* nabíjení se nachází v první fázi (konstantní proud) – svítí červená i žlutá LED
* nabíjení se nachází v druhé fázi (konstantní napětí, proud klesá k nule) – svítí pouze žlutá LED
* nabíjení ukončeno – svítí pouze zelená LED a je aktivováno pípání
* napětí připojeného accu je mimo povolený rozsah (nevhodně přepnutý rozsah, podvybité accu, přepólované accu) – zvuková signalizace trvale a hlasitě píská
Aby bylo možné nechat nabíjet články třeba v ložnici a současně neriskovat, že nás pípání v noci vzbudí, lze zvukovou signalizaci konce nabíjení vypnout přepínačem. Připojení akumulátoru obráceně či nevhodná volba počtu článků je signalizována hlasitějším trvalým pískáním a tento zvuk nelze odpojit.

O signalizaci první fáze nabíjení se stará červená LED. Jeden z operačních zesilovačů vIO6 neustále porovnává aktuální napětí na článek s přednastavenou hranicí a dokud tato není dosažena, dioda na výstupu svítí. Další operační zesilovač toto napětí porovnává s přednastavenými hranicemi a pokud je napětí mimo rozsah, je spuštěn zvukový poplach (například zvolíme 2 články, ale připojíme na výstup pouze jediný či naopak). Dále jsem potřeboval vyřešit problém vhodné signalizace ukončení nabíjení. Nakonec jsem došel k názoru, že nejjednodušší bude měřit proud a pokud klesne pod určitou hranici, je nabito. Protože jsem nechtěl za výstup z L200 dávat rezistor kvůli měření úbytku a zároveň jsem se chtěl vyhnout použití záporného napětí pro OZ, zvolil jsem cestu nejmenšího odporu a tak proud měřím ještě před vstupem do L200. Nezatížený IO1 odebírá asi 13mA, takže jestliže chci signalizovat konec nabíjení při proudu 10mA, postačí mi detekovat hranici 23mA, což lze již i při použití obyčejného operačního zesilovače s nesouměrným napájení bez problémů zajistit. O tuto funkci se starají operační zesilovače vIO4 a o pípání se postará klasický obvod 555 (IO5). Jako doplněk jsem do obvodu zařadil ještě výstup pro multimetr, na kterém je v jakémkoliv režimu vždy aktuální napětí na jeden článek (tedy nikoliv napětí celé sady, které se dá měřit na výstupních svorkách).

Pokud jde o praktické provedení, rozhodl jsem se pro klasický konektorový model, kdy je vše umístěno na jedné desce a přepínače, signalizace, napájení a výstupy jsou připojeny konektory. Umožní to při oživení poměrně snadnou montáž a demontáž a v případě, že se uživatel rozhodne použít jinou krabici či jiné přepínače, nemusí se konstrukce kompletně předělávat. Deska obsahuje rovněž trafíčko a přístrojovou pojistku. Navíc lze náklady na stavbu rozložit i do více období. Postačí například, jestliže v základu osadíme celou desku, ale čelní panel z úsporných důvodů osadíme jen svorkami pro nabíjecí kablík, hlavním vypínačem a trojicí LED diod. Namísto přepínačů použijeme klasické switche z oblasti PC a nastavíme jimi nabíječku do potřebného režimu. Na čelním panelu si samozřejmě připravíme veškeré otvory, ale necháme samolepku vcelku. V budoucnu pak můžeme kdykoliv dokoupit přepínače, proříznout otvor vsamolepce a provést doosazení.

Ke stavbě a oživení:
Po vyleptání plošného spoje, jeho vyvrtání a ošetření můžeme zapájet všechny součástky. Běžně se doporučuje, aby se začínalo mechanickými díly, rezistory a nakonec se osazovaly součástky polovodičové. Pájení jsem prováděl pomocí neregulované mikropájky 220V a tenkého cínu 0,5 mm a stejně snadno je možné provést pájení klasickou pistolovou páječkou. Hotovou desku prohlédneme pod lupou (hlavně aby nikde nebyl zkrat), všechny trimy nastavíme do střední polohy, pomocí switchů (postačí klasické zkratovací propojky z oblasti techniky PC – pro oživení není třeba používat otočné přepínače) nastavíme nejnižší proud a 1 článek. K tomu zapneme zvukovou signalizaci, typ článků na 4.1V a můžeme desku připojit na 220V. Samozřejmě musíme dát pozor – v této fázi pracujeme s nebezpečným napětím a i když se ze strany součástek nedá sáhnout na živý vodič (krytá pojistka, zapouzdřené trafo, svorkovnice do DPS), zespodu to možné je. Pokud se na to necítíme, raději desku rovnou zabudujeme do plastové skříňky i za cenu toho, že vpřípadě nějakých potíží a nutnosti pájení budeme muset vše rozebrat (je to bezpečnější), nebo fázi oživení a zabudování přenecháme někomu s příslušnými zkušenostmi. Nabíječka by měla začít pípat a na výstupu by mělo být napětí někde poblíž 4.1V. Pokud nabíječka vrní, je potřeba pohnout trimem P5 tak, aby začala pípat – tento trim je určen k nastavení hranice detekce ukončení nabíjení a pokud je pomocí P5 zvolena příliš nízká hodnota proudu, OZ osciluje. Teď se ale vraťme k nastavení - pomocí trimu P1 napětí výstupu 4.1V doladíme. Přepnutí na 2 články spočívá v přehození 2 switchů, což lze bez obav provést bez odpojení napájení – alespoň si ověříme zvukovou signalizaci chybného počtu článků při přepojení jen jediného switche (trvalé hlasité pískání). Trimem P2 nastavíme druhý rozsah výstupního napětí (8.2V) a přistoupíme k nastavení napětí pro 3 a 4 články (tady je nutno přehodit i switch na K1 !!!). Potom odstraníme zkratovací propojky na K5 a K6 a provedeme nastavení trimu P7 tak, aby na výstupu bylo napětí pro 4.2V sady. Doporučuji nastavení provést při navoleném větším počtu článků (například 4), což umožní přesnější měření a tedy i nastavení. Dále si ověříme výstupní proud (na L200 bychom měli proto namontovat chladič). Měřidlo přepneme do režimu ampérmetru s rozsahem do 1-2A a vyzkoušíme pomocí něj zkratovat výstupní svorky nabíječky. L200 a jeho omezovač proudu zapracuje a na ampérmetru bychom v závislosti na přesnosti rezistorů (u použitého typu běžně až 10% odchylka) měli naměřit příslušné proudy. Myslím, že na naprosto přesné velikosti proudů nikomu moc nezáleží, ale výměnou jednotlivých 2W rezistorů lze dosáhnout různých i poměrně přesných hodnot. S ohledem na typ použitého transformátoru by však proud neměl jít nad 800mA. Následuje nastavení detekce jednotlivých fází nabíjení. Připojíme LED diodu na K11 a bez připojených článků najdeme takové místo trimu P6, kde LED dioda právě zhasne. Po připojení nabíjených článků se díky tomu rozsvítí a zhasne těsně před dosažením koncového napětí na článek. Díky tolerancím součástek na děličích doporučuji zkontrolovat že tato LED dioda nesvítí v žádném z rozsahů. Pokud ano, doladíme trim tak aby zhasla i v těchto rozsazích. V takovém případě se smíříme s tím, že detekce ukončení první fáze nabíjení se u ostatních rozsahů projeví o nějakou tu setinku voltu dříve. Na průběh nabíjení to nemá samozřejmě vůbec žádný vliv. Pro nastavení detekce ukončení nabíjení použijeme trim P5. Nejdříve změříme úbytek napětí na R1 při zapnuté nabíječce a nepřipojených článcích. Mělo by jít asi o 0.01-0.02V. Při 1 ohmovém R1 to prezentuje odběr 10-20mA naprázdno. K uvedené hodnotě přičteme 0.01V (tedy 10mA) a trimem P5 nastavíme napětí mezi vývody 2 a 4 IO4 (respektive napětí na děliči R9/R8+P5) na získanou hodnotu. Pokud máme málo rukou, nebo se nám nechce měřit a počítat, vezmeme rezistor 430R, zkratujeme s ním výstupní svorky a při rozsahu 1 článek a 4.2V na článek nastavíme P5 na místo, kde dojde kpřepnutí ze žluté na zelenou LED diodu.

Dále nás čeká zástavba do krabice a připojení konektorů, přepínačů a LED. Deska je umístěna v plastové krabičce UKM85. Čelní a zadní panel musíme vybavit příslušnými otvory pro konektory, přepínače a pouzdra LED. Nezapomeneme na pryžovou průchodku napájecího kabelu a rovněž na uchycení napájecího kabelu proti vytržení. Desku plošného spoje upevníme ke spodnímu dílu krabičky pomocí sady šroubů M3 a distančních trubiček. Přívodní napájecí kabel 220V vedeme přímo na oba póly kolébkového vypínače a pokud možno použijeme teplem smrštitelnou bužírku, kterou se ochráníme proti případnému dotyku (kdybychom například v budoucnu dolaďovali trimy při zapnutém napájení). Ideální je samozřejmě použití automobilových konektorů (tzv. FASTONY), které zajistí snazší montáž a demontáž této části konstrukce například z důvodu případných budoucích úprav čelního štítku. Z vypínače vedeme kabel do svorkovnice na desku plošného spoje. Miniaturní dvoupolohové přepínače přišroubujeme k čelnímu panelu pomocí šroubků se zápustnou hlavou a samolepku před polepením panelu v místech těchto dvou přepínačů prořízneme. Tím nejen překryjeme zmíněné hlavy šroubů, ale rovněž nám to umožní přesněji ustavit samolepku na pozici. Pak již zbývá jen osadit veškeré zbývající mechanické díly na čelní a zadní panel a můžeme přistoupit k výrobě kablíků zakončených konektory. K tomu by Vám měl dopomoci následující seznam a příslušný obrázek:

Seznam konektorů:
K1 – 3 piny – přepínání napájecích větví
K2 – 2x4 piny – přepínání výstupního napětí pro 1/2/3/4 články
K3 – 2x4 piny – přepínání děliče pro měření napětí jednoho článku pro 1/2/3/4 články
K4 – 2x4 piny – přepínání výstupního proudu
K5 – 2 piny – volba 4.1 / 4.2 V na článek (4.1 V = zkratované piny)
K6 – 2 piny – volba 4.1 / 4.2 V na článek (4.1 V = zkratované piny)
K7 – 2 piny – vypínání zvukové signalizace konce nabíjení (zapnuto = zkratované piny)
K8 – 2 piny – měření napětí na článek externím měřícím přístrojem nebo A/D převodníkem
K9 – 2 piny – LED žlutá (signalizace nabíjení proudem nad 10mA)
K10 – 2 piny – LED zelená (signalizace konce nabíjení)
K11 – 2 piny – LED červená (signalizace první části nabíjení – konstantní proud)
K12 – 2 piny (svorkovnice) – přívod 220V
K13 – 2 piny (svorkovnice) – připojení výstupních svorek pro nabíjení Li-Ion článků
K14 – externí konektor pro připojení měřícího přístroje (například konektor typu CINCH) - na zadním panelu
K15 – externí přístrojové svorky pro připojení Li-Ion – na čelním panelu
Př.1 – volba počtu článků (otočný přepínač 4 polohy, 3 póly)
Př.2 – volba nabíjecího proudu (otočný přepínač 4 polohy, 3 póly – využit pouze 1 pól)
Př.3 – volba typu článku (2 polohy, 2 póly)
Př.4 – zapínání / vypínání zvukové signalizace konce nabíjení (2 polohy, 1 pól)
Př.5 – síťový 2 pólový kolébkový vypínač

Propojení konektorů a přepínačů:

K1:
Pin 1 – Př.1 pin 1+2
Pin 2 – Př.1 pin A
Pin 3 – Př.1 pin 3+4

K2:
Pin 5+6+7+8 – Př.1 pin B
Pin 1 – Př.1 pin 5
Pin 2 – Př.1 pin 6
Pin 3 – Př.1 pin 7
Pin 4 – Př.1 pin 8

K3:
Pin 1+2+3+4 – Př.1 pin C
Pin 8 – Př. 1 pin 9
Pin 7 – Př. 1 pin 10
Pin 6 – Př. 1 pin 11
Pin 5 – Př. 1 pin 12

K4:
Pin 5+6+7+8 – Př. 2 pin A
Pin 1 – Př. 2 pin 4
Pin 2 – Př. 2 pin 3
Pin 3 – Př. 2 pin 2
Pin 4 – Př. 2 pin 1

K5:
Pin 1 – střední pin přepínače Př.3 – dolní řada
Pin 2 – krajní pin přepínače Př.3 – dolní řada

K6:
Pin 1 – střední pin přepínače Př.3 – horní řada
Pin 2 – krajní pin přepínače Př.3 – horní řada

K7:
Pin 1 – střední pin přepínače Př.4
Pin 2 – krajní pin přepínače Př.4

K8:
Pin 1 – externí konektor K14 pro připojení měřícího přístroje – kladný pól – volba pinu dle vlastní úvahy
Pin 2 – externí konektor K14 pro připojení měřícího přístroje – záporný pól – volba pinu dle vlastní úvahy

K9:
Pin 1 – katoda LED
Pin 2 – anoda LED

K10:
Pin 1 – anoda LED
Pin 2 – katoda LED

K11:
Pin 1 – anoda LED
Pin 2 – katoda LED

K12:
Pin 1 – síťový vypínač – vpravo dole
Pin 2 – síťový vypínač – vlevo dole

K13:
Pin 1 – černá (záporná) výstupní svorka K15
Pin 2 – červená (kladná) výstupní svorka K15

Použití zkratovacích propojek pro oživení, nebo provoz bez přepínačů:

Volba proudu:
K4 – 1+5 = 700 mA
K4 – 2+6 = 500 mA
K4 – 3+7 = 350 mA
K4 – 4+8 = 200 mA

Volba počtu článků:
K1 – 1+2 = 1 nebo 2 články
K1 – 2+3 = 3 nebo 4 články
K2 – 1+5 = 1 článek
K2 – 2+6 = 2 články
K2 – 3+7 = 3 články
K2 – 4+8 = 4 články
K3 – 1+5 = 4 článek
K3 – 2+6 = 3 články
K3 – 3+7 = 2 články
K3 – 4+8 = 1 články

Volba typu článků:
K5 – zkratováno = 4.1V
K6 – zkratováno = 4.1V

Volba zvukové signalizace:
K7 – zkratováno = zapnuta zvuková signalizace konce nabíjení

Tím je hotovo jak nastavení, tak i výroba mechanických dílů a můžeme se tedy pustit do prvního nabíjení. Můžeme ponechat nabíječku otevřenou a před připojením první sady raději ověříme ve všech rozsazích, že jsme někde nějaký konektor neotočili a že je tedy výstupní napětí na přednastavených úrovních. Zvolíme vhodný nabíjecí proud, rozsah i typ článků a připojíme nabíjenou sadu. Pípání ustane, zelená LED dioda zhasne a rozsvítí se červená a žlutá LED dioda. V průběhu nabíjení doporučuji měřit napětí na výstupu. V první fázi průběžně roste toto napětí až k úrovni, kde musí zhasnout červená LED dioda. Čas závisí na nabíjecím proudu, typu článků a nastavení napětí na kterém má LED zhasnout. V obvyklé situaci, kdy se nabíjecí proud blíží kapacitě článků se jedná o asi 1 hodinu. Zhruba ve stejné době začíná klesat nabíjecí proud a může trvat další 2 hodiny, než se dostane ke hranici 10mA. Pokles je zpočátku poměrně rychlý a navíc začíná o něco dříve, než články dosáhnou stanoveného koncového napětí. Doporučuji se pohybovat v místnosti s nabíjenými články, občas pohledem zkontrolovat displej připojeného voltmetru a případně si sáhnout na chladič L200. Jakmile získáme jistotu, že je vše v pořádku, můžeme krabici sešroubovat a nabíječku používat i bez dozoru.

Konstrukce je určena pro použití v suchém prostředí a pro běžné pokojové teploty. Ověřena byla stavbou dvojice prototypů (druhý prototyp je na obrázku a je používán k mé plné spokojenosti) a dvojice finálních kousků, kdy jeden byl plně osazen a druhý byl z úsporných důvodů osazen pouze propojkami s přednastavením na 2 články a maximální proud 700mA. Všechny 4 exempláře fungovaly na první zapojení.

Protože většina zájemců o stavbu bude určitě požadovat data pro stavbu (čelní štítek, plošný spoj atd.) v digitální podobě, rozhodl jsem se, že všechny datové soubory umístím na internet a to do sekce DOWNLOAD. Jde o tyto sooubory:

Seznam součástek:
Diodové můstky:
GR1,GR2 B250C3000

Diody:
D1,D2 1N5401
D3,D4,D5,D6 1N4148
D7 BZX83V004.7 (není nutné)
D8 LED 5mm červená
D9 LED 5mm žlutá
D10 LED 5mm zelená

Integrované Obvody:
> IO1 L200
IO2 78L05
IO3 78L09
IO4 LM358
IO5 555
IO6 LM324

Kondenzátory:
C1 1m/50V - elektrolyt
C2 220n - keramický, popř. fóliový
C3,C4,C5,C6,C7,C9 100n – keramický
C8 1u – elektrolyt
C10,C11,C12 47u – elektrolyt

Trimy:
P1 100R (naležato, 10mm)
P2,P3 250R (naležato, 10mm)
P4 500R (naležato, 10mm)
P6 1k (naležato, 10mm)
P7 50k (naležato, 10mm)
P5 500k (naležato, 10mm)

Rezistory:
R4 160
R12,R15 330
R26 430
R27 820
R3,R9,R11 1k
R5 1k3
R31 1k5
R24 2k2
R6 2k4
R7 3k6
R23 7k5 + 300 = 7k8
R25 9k1
R10,R20,R29,R32 10k
R30 11k
R21,R28 20k
R22 30k
R8,R13 100k
R14 1M
R18 2 x 1R5 = 0R75 (2x 2W)
R19 1R x 1R2 = 0R55 (2x 2W)
R16 2R2 (2W)
R17 2 x 2R2 = 1R1 (2x 2W)
R1 1R (5W)
R2 100R (5W)

Mechanické díly:
1x KS20SW – pojistkový držák do pl.sp.
1x KS20SW-H – kryt na pojistkový držák
1x 1 stranný fotokuprexit 100x160mm
1x GL530 - slídová podložka pod TO220
1x IB3 – izolační průchodka pro TO220
3x LDC500/LD1000 - pouzdro na LED 5mm
2x P-S830 – hmatník kotočnému přepínači
Př.1, Př.2 P-DS3 4 polohový 3 pólový otočný přep.
Př.4 P-B144 2 polohový 1 pólový přepínač
Př.3 P-B140B 2 polohový 2 pólový přepínač
Př.5 P-H8550VB01 - vypínač kolébkový 2 póly
1x K201 – přístrojová svorka černá
1x K201R – přístrojová svorka červená
1x S2G34- lámací lišta dvouřadá 34 pinů
1x S1G40 – lámací lišta jednořadá 40 pinů
2x ARK 210/2 nebo ARK500/2 – svork.
1x KPE242 – piezzosirénka
1x TR EI54/18.8-2x9 - transformátor 220V/2x9V 16VA
7x počítačový konektor 2 pinový
1x počítačový konektor 3 pinový
6x počítačový konektor 4 pinový
4x FH48X08M1 konektor FASTON 4.8mm
1x přívodní kabel 220V svidlicí
1x kabelová průchodka pro přívodní kabel
1x UKM85 – plastová krabice

(Článek byl zveřejněn v časopise RC Modely číslo 9/2001)

• Předchozí