Nabíjeèka olovìných akumulátorù ze zdroje PC Václav Doležal (dolezv1@seznam.cz) Pøi návrhu nabíjeèky jsem se chtìl vyhnout lineárnímu zdroji s tìžkým a drahým sí ovým transformátorem a malou celkovou úèinností. Proto bylo od poèátku jasné, že zdroj musí být spínaný. Po nìkolika více èi ménì úspìšných pokusech zhotovit dobrý spínaný zdroj jsem zaèal experimentovat s poèítaèovým zdrojem AT. Ten se pozdìji ukázal jako ideální základ pro stavbu nabíjeèky. Jeho velkou pøedností je dostupnost a fakt, že máme již vyrobený prakticky celý spínaný zdroj, u nìhož staèí pouze upravit zpìtnovazební obvody. Technické údaje Napájecí napìtí: 230 V, AC. Koneèné nabíjecí napìtí: 14,4 V, DC. Nabíjecí proud: nastavitelný 0,5 až 8 A. Popis konstrukce Základem této nabíjeèky je spínaný poèítaèový zdroj AT. Popisem celého zapojení zdroje PC se zde nebudeme zabývat, je jej možno najít napøíè celým Internetem, nebo napø. v [1] a [3]. Jednak bychom potøebovali víc prostoru, jednak to není nezbytné pro pochopení funkce úpravy, kterou budeme na tomto zdroji dìlat. Základem budicí èásti každého zdroje AT je IO TL494 nebo jeho ekvivalent. Tento obvod obsahuje všechny obvody nutné k buzení spínacích tranzistorù. Obsahuje také vstup pro zpìtnou vazbu (pin 3) a dva zpìtnovazební zesilovaèe. Pro nabíjeèku je nutné výstupní napìtí asi 14,4 V. Nejvhodnìjším výstupem proto bude výstup +12 V, který bývá u vìtšiny zdrojù dimenzován na proud 8 A. K zpìtnovazebním zesilovaèùm (piny 1 a 2 a piny 15 a 16 TL494) je pøipojena váhová logika zpìtné vazby. Tu je potøeba vyøadit z èinnosti nebo posunout tak, aby na výstupu napìtí +12 V zdroje nebylo 12 V, ale víc než asi 16 V. Váhová logika, která kontroluje všechna výstupní napìtí, je nastavena tak, aby co nejpøesnìji kontrolovala napìtí +5 V. Výstup +5 V je filtrován LC èlánky. První cívku tvoøí nìkolik závitù navinutých spolu s cívkami ostatních výstupù na spoleèném toroidním jádøe. Pak následuje filtraèní kondenzátor (C23) a další cívka (L1), která je navinuta na samostatné feritové tyèce prùmìru asi 6 mm. Nejjednodušší zpùsob, jak posunout zpìtnou vazbu smìrem nahoru, je vypájení právì této druhé cívky (L1). Tím se pøeruší výstup +5 V a není na nìm žádné napìtí. Zpìtnovazební obvody se pak snaží toto napìtí zvìtšovat. To se jim však nikdy nepodaøí, protože výstup +5 V je odpojen. Jenže tím, že se snaží zvìtšovat napìtí +5 V, zvìtšují se i ostatní napìtí. Kdybychom tedy po této úpravì zdroj zapnuli do sítì, bylo by na výstupu +12 V naprázdno asi 30 V. To by samozøejmì nevydržely kondenzátory na výstupech, protože ty jsou na výstupu +12 V dimenzovány pouze na 16 V. Aby se tak nestalo, musíme vytvoøit jiný zpìtnovazební obvod, který zajistí, že výstupní napìtí bude nejvýše asi 15 V, což je také napìtí plnì nabitého akumulátoru. Tento zpìtnovazební obvod bude pøipojen do pinu 3 IO TL494. Je nutné upozornit, že zdroje vyrábí více výrobcù a zapojení jednotlivých modelù se mohou od sebe lišit. Pøed stavbou je tedy vhodné vyzkoušet výše popisovanou cívku vypájet a krátkým zapnutím zjistit, jestli se výstupní napìtí skuteènì zvìtšila. Setkal jsem se totiž již se zdroji, které po vypájení cívky vùbec nenastartovaly. To bylo zpùsobeno jiným obvodovým øešením váhové logiky, která kontroluje výstupy. U nich vìtšinou pomohlo na místo vypájené cívky vložit rezistor s odporem asi 1 kω. Je pro- Obr. 1. Schéma zdroje PC 16 Praktická elektronika A Radio - 04/2006

Obr. 2. Schéma zapojení ovládací èásti Obr. 3 a 4. Deska s plošnými spoji øídicího obvodu nabíjeèky (75,6 x 38,8 mm) a osazení desky souèástkami to nutné mít na pamìti, že každá taková úprava je individuální pro každý model zdroje a nesmíme se bát trochu experimentovat. Dále následuje popis vlastních zpìtnovazebních obvodù, které už budou pro všechny typy zdrojù stejné. Tato nabíjeèka pracuje v režimu nabíjení konstantním proudem (o èemž jsme informováni svitem èervené LED1), který uživatel nastaví na 0,1 C, kde C je kapacita nabíjeného akumulátoru v Ah. Tzn. že napø. akumulátor 40 Ah budeme nabíjet proudem 4 A. Tímto proudem bude akumulátor nabíjen, dokud jeho napìtí bude menší než 14,4 V. Po dosažení tohoto napìtí zdroj dále napìtí zvìtšovat nebude a nabíjecí proud se bude postupnì zmenšovat. Zdroj se bude chovat jako zdroj konstantního napìtí 14,4 V a bude pouze udržovat akumulátor v nabitém stavu. O tomto režimu jsme informováni svitem zelené LED2. Pokud tedy již svítí LED2, znamená to, že akumulátor je již nabit a mùžeme jej odpojit. Pokud tak neuèiníme, tak zdroj bude akumulátor udržovat malým proudem v nabitém stavu a nemusíme se obávat pøebití akumulátoru. Celé zapojení lze rozložit na dva samostatné celky. Prvním je zapojení zpìtnovazebních zesilovaèù. Druhým je obvod odpojovaèe výstupu. Zpìtnovazební zesilovaèe jsou použity dva (IO1a, IO1b). Výstup IO1a dává zpìtnovazební signál, který je úmìrný velikosti výstupního proudu. Tento proud je snímán rezistorem R1. Velikost napìtí na R1 je porovnávána s napìtím na referenèní diodì D1, které je dìleno dìlièem R2, R4 a P1. Potenciometrem P1 lze tedy nastavit proud, pøi kterém se zaène výstupní proud omezovat. To se stane tehdy, když se napìtí na obou vstupech IO1a právì rovnají. Na D1 je napìtí +2,5 V, na kladném vstupu IO1a je 0 V. Proud I, který teèe pøes R1, vyvolá na R1 úbytek napìtí U = I. R 1. Odtud pak: I = (R 2 +R P1 ). U D1 /(R 1. R4 ). Zde je vidìt, že prùbìh proudu v závislosti na natoèení høídele P1 bude pro lineární prùbìh potenciometru také lineární, s posunutým poèátkem. Zdroj se chová jako zdroj konstantního proudu. Druhý zpìtnovazební zesilovaè tvoøený IO1b snímá výstupní napìtí. Pokud toto napìtí dosáhne 14,4 V (lze nastavit pøesnì trimrem P2), zaèíná výstup IO1b dávat zpìtnovazební signál a celý zdroj se chová jako zdroj konstantního napìtí. To je tehdy, když ñ Obr. 5. Fotografie ovládací èásti nabíjeèky Praktická elektronika A Radio - 04/2006 17

ñ se napìtí na vstupech IO1b právì rovnají. Na invertujícím vstupu je napìtí 2,5 V. Zde pak platí pro výstupní napìtí zdroje: U = U D1. (RP2 +R 8 +R 9 )/R 9. Protože však máme dvì velièiny, které budou zavedeny pouze do jednoho vstupu TL494, musíme je nìjak slouèit. K tomu slouží LED1 a LED2. Tyto diody zde vlastnì tvoøí jakýsi logický souèet obou zpìtnovazebních signálù a vybírají ten, který je vìtší. Pøes nìkterou z tìchto LED vždy teèe zpìtnovazební proud a my tak máme indikaci, zda se zdroj právì chová jako proudový (svítí LED1) nebo napì ový (svítí LED2). Pokud tedy nepøipojíme žádnou baterii, bude se zdroj chovat jako napì ový a bude svítit LED2. Pokud ovšem pøipojíme baterii, jejíž napìtí naprázdno je menší než 14,4 V, pak automaticky zaène pøes R1 do baterie téct proud, který ji nabíjí. Tento proud je konstantní a je nastaven polohou bìžce P1. V této fázi se tedy baterie nabíjí konstantním proudem, o èemž jsme informováni svitem LED1. S èasem se ovšem napìtí na baterii zvìtšuje, až dosáhne koneèné hodnoty 14,4 V. Pak se rozsvítí LED2 a zdroj se stává napì ovým, pøièemž proud do baterie se zmenšuje až témìø k nule (pouze baterii udržuje v nabitém stavu). Zde je nutno podotknout, že tyto LED by mìly být s malou spotøebou, protože jimi teèe zpìtnovazební proud, který je pouze asi 0,7 ma. Ten bohužel nelze zvìtšit, je dán proudovým zdrojem pøipojeným uvnitø TL494 k pinu 3. Další obvod již není nezbytnì nutný, ale zvyšuje nám komfort obsluhy. Tento obvod zamezí pøipojení baterie v opaèné polaritì nebo baterie, jejíž napìtí je menší než asi 9 V. Pokud bychom pøipojili napø. baterii 6 V, výstup Obr. 6. Popisky k indikaèním LED Obr. 7. Stupnice k potenciometru pro nastavení nabíjecího proudu by zùstal odpojen a baterie by se vùbec nezaèala nabíjet a nebyla by nabíjeèkou znièena. Stejná situace nastává, pokud pøipojíme sice dobrou baterii, ale v opaèné polaritì. Pak výstup zùstane odpojen (o èemž nás vždy informuje žlutá LED4) a navíc se rozsvítí èervená LED5, která nás informuje právì o opaèné polaritì pøipojeného akumulátoru. Když tedy dobrou baterii pøipojíme ve správné polaritì, výstup se pøipojí a zaène samotné nabíjení. O pøipojení výstupu jsme informováni svitem zelené LED3. Jako spínaè zde slouží MOSFET tranzistor BUZ11, který má v sepnutém stavu velmi malý odpor. Tento tranzistor je ovládán výstupem IO2, který slouží jako komparátor. Sleduje napìtí na výstupu a porovnává ho s referenèním na D2. Výhodou tohoto obvodu je také to, že pùsobí jako ochrana proti zkratu. Pøi zkratu výstupních svorek se na nich totiž objeví nulové napìtí a výstup je okamžitì odpojen. Pro používání je tøeba ještì dodat, že je vždy nutné nabíjeèku první zapnout do sítì, a pak teprve pøipojit akumulátor. Pøi opaèném poøadí se impulsní zdroj nenastartuje. Celá nabíjeèka je umístìna v pùvodní skøíòce zdroje PC. Zpìtnovazební obvod a obvod odpojovaèe jsou na desce s plošnými spoji o rozmìrech asi 38,8 x 75,6 mm. Tato deska drží na horní stranì zdroje samosvornì za pouzdra pìti LED. Potenciometr P1 je do desky pøipojen dvìma tenkými vodièi. Dùležité jsou ještì kondenzátory C1 a C2. Ty zabraòují rozkmitání celého obvodu. Pøi náhlé zmìnì proudu, resp. napìtí zmenšují zesílení zpìtnovazebních zesilovaèù, a tak zesílení celé zpìtnovazební smyèky, èímž zabraòují nechtìným oscilacím. Jejich uvedená kapacita je pouze orientaèní a mùže být u konkrétního zdroje výraznì vìtší, to záleží právì na pøenosové funkci daného zdroje z pinu 3 na výstup. Pokud by nabíjeèka kmitala v nìkterém z režimù provozu (napì ový, resp. proudový), pak je nutné kapacitu odpovídajícího kondenzátoru zvìtšit. Napìtí na tìchto kondenzátorech se pohybuje v rozmezí od 2,5 V až do +2,5 V. Pokud tedy není potøebná kapacita pøíliš velká, mùžeme spojit více keramických kondenzátorù paralelnì. Budeme-li nuceni použít elektrolytický kondenzátor, pak jedinì na mnohem vìtší napìtí (100 V). Takovému kondenzátoru tolik nevadí malé záporné napìtí. Poslední konstrukèní poznámka se týká ukostøení krabièky zdroje. Krabièka bývá ukostøena zelenožlutým vodièem k vodièi PE, to je v poøádku a ponecháme to. Krabièka však bývá navíc spojena (pøes kontakt pod šroubkem, který drží desku s plošnými spoji zdroje) s GND zdroje. Toto spojení je vhodné odizolovat, jinak bychom mohli zdroj pøi náhodném dotyku kladné svorky nabíjeèky o krabièku znièit. Seznam souèástek R1 0,082 Ω/5 W R2 1 kω/0,5 W R3, R5, R7, R10, R11 1,5 kω/0,5 W R4 180 kω/0,5 W R6, R9 10 kω/0,5 W R8 47 kω/0,5 W R12 13 kω/0,5 W R13 5,6 kω/0,5 W P1 47 kω, potenciometr P6M lineární P2 4,7 kω, odporový trimr ležatý, 10 x 5 mm C1, C2 220 nf, keramický C3, C4 100 nf, keramický C5 100 µf/16 V, elektrolyt. D1, D2 TL431 (TO92) D3 BAT42 Q1 BUZ11 IO1 LM358 (DIP 8) IO2 UA741 (DIP 8) LED1 èervená 5 mm, 2 ma LED2 zelená 5 mm, 2 ma LED3 zelená 5 mm, standardní (20 ma) LED4 žlutá 5 mm, standardní (20 ma) LED5 èervená 5 mm, standardní (20 ma) Literatura [1] Krejèiøík A., Husák M., Jirásek L.: Napájecí zdroje v elektronice cvièení. Skriptum FEL ÈVUT, PRAHA 2002. [2] Krejèiøík A.: Spínané zdroje s obvody TOPSwitch, BEN technická literatura, Praha 2002. [3] Belza, J.: Spínané zdroje ve výpoèetní technice. Amatérské radio øada B (modré) è. 4/1994 s. 145 až 151. (http://www.belza.cz/ swmodeps/compow2.htm) 18 Praktická elektronika A Radio - 04/2006