Polnilec malih Pb akujev

Članek je bil objavljen na CDju Hidra #9, ki se nahaja zraven revije AVTOMATIKA!

Vsi smo se že prej ali slej srečali z akumulatorji. Medtem ko imate Ni-Cd ali Li-ion akumulatorje verjetno že v GSM-u, fotoaparatu, kameri, walkmanu, prenosnem radiju, prenosniku ali dlančniku, pa so svinčeni akumulatorji bistveno redkejši. Najdemo jih še denimo v avtomobilih, pa tudi v baterijsko podprtih računalniških napajalnih sistemih, alarmnih napravah in podobno...

Medtem, ko za ostale tipe akumulatorjev zadostuje priložen polnilnik, pri svinčevih ni vedno tako. So bistveno občutljivejši na vplive okolja, obremenitev in staranje od denimo NiCd celic. Poleg tega so zaradi narave naprav, ki jih poganjajo ostali tipi akumulatorjev ponavadi obravnavani kot potrošno blago. Ko vam denimo »crkne« akumulator v cenenem GSM telefonu, se vam tako in tako verjetno bolj splača kupiti nov telefon kot zamenjati akumulator. Poleg tega je polnjenje NiCd (sploh pa Li-ion) celic bolj zahtevno in so zato polnilci le-teh danes praviloma bolj inteligentni. Ko tak polnilec ne more več napolniti akumulatorja, mu praviloma ni več pomoči, vsaj ne na daljši rok.

Pri svinčevih akumulatorjih pa ni vedno tako. Ker se jih da zadovoljivo polniti z navadnim napetostnim generatorjem, jih večinoma v napravah tako tudi polnimo. To pa na daljši rok lahko negativno vpliva na njihovo staranje.

Tako velikokrat lahko pomagamo preutrujenemu akumulatorju, ki je že leta v kaki alarmni centrali na neprestanem polnjenju, pa tudi avtomobilski akumulator v kakem malo starejšem avtomobilu, ki je ravno pred zimo razmišljal o samomoru, si lahko s serijo solidnih polnilno/praznilnih ciklov opomore... 
Težava je v tem, da na trgu praktično ne dobite namenskega polnilca za svinčeve (Pb) akumulatorje, razen seveda za avtomobilske akumulatorje. Tako boste pri polnjenju majhnih akumulatorjev pogosto prisiljeni v improvizacije.

Ker smo tudi sami razvili dosti naprav, ki uporabljajo svinčeve akumulatorje, si je za potrebe servisiranja akumulatorjev šef zaželel namenskega polnilca, s katerim bi lahko preverjal tudi stanje akumulatorjev. Največji problem nam je namreč bil diagnostika baterijsko napajane naprave na terenu, ki je odpovedala kmalu po izpadu primarnega napajanja. Takrat je težko določiti izvor napake: slab akumulator ali napaka v napravi. S tem polnilcem/testerjem si lahko privoščimo bodisi takojšnjo zamenjavo naprave in dokaj hiter in samodejen test pokvarjene naprave v delavnici ali pa kar test na terenu, če razmere to dopuščajo...

Tako je nastal tale polnilec pred vami. Z elektroniko v njem ni težav saj jo vsi poznamo že iz srednjih šol, programje v mikrokrmilniku je pa po svoje 'nikoli dokončana zgodba' , ki se oblikuje glede na potrebe.

Gre za polnilec s konstantno napetostjo in tokovno omejitvijo, ki nima posebnih zunanjih regulacij. Zna pa polnilec tudi izprazniti akumulator s konstantnim tokom, ter hkrati izmeriti kapaciteto. Vdelani mikrokontroler PIC-16F84 služi samo za preklop med režimi (polnjenje/praznjenej/izklop), nadzor tipke »start« in prikaz podatkov na LCD displeju.

Polnilec/praznilec je namenjen preverjanju stanja akumulatorja in polnjenju, tako za 6V kot za 12 V akumulatorje. Samo uporabo polnilca sem poenostavil do skrajnosti. Vklopimo napravo, nato ji priklopimo aku, sledi nastavitev časa polnjenja ter izbira nazivne napetosti akuja. Naslednji korak je prava znanost-pritisnemo tipko START ;o) . Od tega trenutka začne mikrokontroler opravljati svoje magične funkcije tako da ga prepustimo svojemu delu, le na koncu pogledamo rezultate meritev.

Ob pritisku tipke START se začne 1.korak: praznjenje akumulatorja s tokom 1A, ter prva meritev kapacitete, kar bo trajalo dokler se akumulator ne izprazni na minimalno dovoljeno napetost (nastavljena s trimerji na 11V za 12V 7Ah akumulatorje in 5.1V za 6V 3,5Ah akumulatorje).Napetost določimo glede na kapaciteto akuja in praznilnega toka, s pomočjo podatkov ki jih izločimo iz tehničnih specifikacij akumulatorja.Ves čas praznjenja naprava kaže izčrpano količino naboja v Ah.

Ko je praznjenje končano, se začne 2.korak-polnjenje. Le to traja točno določen čas ki smo si ga izbrali s pomočjo stikala (izbira časa), torej za polnenje Pb akujev potrebujemo konstantno napetost, ki jo izračunamo na sledeč način: št.celic * 2,4V (14.4V za 12V modele, 7.2V za 6V akuje). Tukaj bi rad posebej poudaril da so izračunane napetosti podane za ciklično uporabo akuja in ne za dolgoročno polnenje saj bi le to imelo za posledico upadanje kapacitete

Slika 1 - Tiskanina analognega dela polnilnika z napajalnikom, senzorjem napetosti in končno stopnjo

Po preteku nastavljenega časa se začne 3.korak, ki zopet prazni akumulator ter meri kapaciteto, tako kot v 1.koraku. Zadnji - četrti korak je zopet polnenje. Kot je praksa pokazala, je za potrebno približno 24h za polnjenje akumulatorja ter približno 3.5h za praznjenje. Z malo matematike dobimo rezultat 2.5dni za kompletno testiranje. Za ugotovitev ali je akumulator res slab ali ne je to malo predolgo, zato tudi stikalo »izbira časa«, s katerim si lahko izberemo tudi krajši čas polnjenja (12h) in dobimo oceno akumulatorja v dobrem dnevu, kar je dostikrat bolj sprejemljivo.

Slika 2 - TIV procesorskega del z uprvljanjem in LCD displejem

Ker je polnilec sestavljen iz dveh glavnih delov-tiskanin, je tudi shema narisana tako. V procesorskem delu tako vidimo LCD zaslon (trenutno 1x16 znakov-osvetljen), kateremu nastavljamo kontrast s potenciometrom P1. V sredini sheme je U1-PIC16F84 in pripadajoči elementi. Tako kristal X1 ob treh kondenzatorjih (C1,C2 in C7) skrbi za taktni signal procesorja, upor R1 drži RESET signal procesorja neaktiven (PIC se resetira sam ob vklopu), Upora R2 in R3 pa držita signala tipk »start« in stikala za izbiro časa v neaktivnem-nizkem stanju. 

Cela stvar se napaja iz sekundarja transformatorja, ki ga uporabljamo tudi za napajanje končne stopnje. Napetost najprej usmerimo z greatzovim spojem BR1, jo zgladimo s kondenzatorjema C3 in C5, nato pa stabiliziramo z U2 (stabilizator 7805).

Procesorska plošča ukazuje plošči polnilca preko dveh signalov (»prazni«, »polni«) in od nje dobi en signal izpraznenosti akumulatorja (»prazno«). 

Na shemi elektronike za polnjenje lahko vidimo, da so praktično vsi sklopi podvojeni- za 6V in 12V akumulatorje. Preklop med obema načinoma opravimo s stikalom »6/12V«, ki preko dveh relejev (K3 in K5) opravi preklop v vezju na željeni sklop. 

Tako vidimo klasično napajanje s sekundarjev transformatorja T1, kjer preko kontaktov K3 izbiramo željeni sekundar (za 6V oz. 12V), čigar napetost usmerimo z BR1, zgladimo s kondenzatorjema C1 in C10 in stabiliziramo z U1 (LM317). 

Napetost na izhodu slednjega je odvisna od razmerja upornosti R1 in (P3+R8) oziroma (P5+R9), glede na stanje kontaktov releja K3 (torej izbrano napetost akumulatorja). S trimerjema P3 in P5 torej lahko nastavimo željeno napetost polnjenja akumulatorja. Procesorska plošča sproži polnjenje z odprtjem tranzistorja U4, ki odpre rele K1. Kontakt K1 priklopi izhod napetostnega generatorja U1 na akumulator in začne polnjenje. Ker pri priklopu akumulatorja lahko pride do napačnega priklopa, bo polnilec v tem primeru zapiskal skozi sireno LS1 in v takih in podobnih primerih omejil tok. Takrat bo prevelik tok skozi R3, ki je v negativni veji polnilca odprl tranzistor U2, ki bo spustil krmilno napetost U1 in s tem znižal tudi izhodno napetost na potrebno raven. Ta sklop za tokovno omejitev je uporabljen tudi za omejitev maksimalnega polnilnega toka pri normalnem polnjenju, ki v našem primeru ne sme preseči 0.9A.

Enak LM317 (U3), vendar tokrat v navezi z uporom R5, skrbi za enakomerno praznjenje akumulatorja, ko se začne faza praznjenja. Podobno kot polnjenje, tudi praznjenje se začne ko procesor aktivira poseben signal »prazni«, s čimer odpre tranzistor U5 in rele K2 ter aktivira praznjenje preko konstatnega tokovnega ponora, ki ga tu predstavlja U3.
Seveda ne smeta biti naenkrat aktivna oba signala, »polni« in »prazni«, a to je tako in tako odgovornost mikrokontrolerja oziroma vdelanega programa. 

Slika 5 - Senzor napolnjenosti 6 ali 12 voltnega Pb akumulatorja

Ker mora mikrokontroler vedeti kdaj je akumulator prazen, generira ustrezen signal operacijski ojačevalnik U6. Ta je v čipu, sestavljenem iz dveh operacijskih ojačevalnikov, ki sem jih tu uporabil za vsakega za svojo napetost. V obeh polovicah napetost z akumulatorja delimo z ustreznim številom, nato pa jo primerjamo z neko stalno napetostjo. Tako dobimo od vsake polovice svoj signal, med katerima izberemo enega z relejem K5 in ta signal pripeljemo kot signal »prazno« v procesorsko ploščo. Željeno deljenje in s tem tudi nastavitev točne napetosti, pri kateri se bo aktiviral signal »prazno« nastavimo s trimerjem P2 oziroma P4.

Slika 6 - Mikroprocesorski del s stikali in tipkami za upravljanje polnilnika

V tem članku ste lahko videli, kako lahko z zelo malo tehnologije naredimo dovolj kvalitetno 'postajo' za preverjanje Pb akumulatorjev. Če bi si kdo zaželel sam napisati program ali pa uporabiti čisto drugačen mikrokrmilnik je to omogočeno z enostavno zamenjavo kontrolne tiskanine. Ker pa živimo v svetu brez prostega časa, se lahko obrnete name. Vse, razen programa v mikrokrmilniku vam je na razpolago v tem članku brezplačno (tudi datoteke za izdelavo tiskanine), kdor pa želi tudi mikrokontroler s programom, ga lahko dobi pri meni za 3.000 SIT. Microchipovo okolje za razvoj programja »MPLAB« je na Internetu zastonj, zato si lahko seveda program napišete tudi sami... 

Na koncu bi samo še enkrat poudaril da je polnilec namensko izdelan za dva tipa akumulatorjev: prvi je 6V in 3,5Ah, ter drugi 12V in 7,2Ah. To povsem zadostuje našim potrebam. Če imate kake posebne želje, mi pošljite email in se lahko zmenimo za custom-made predelavo, pisano vam na kožo.

 

Sheme in tiskanine so narisane v Pcad 200:

CPU:    Shema    Tiskanina    Kosovnica

Močnostna stopnja:    Shema    Tiskanina    Kosovnica