Układ ładowania akumulatora, który chcę przedstawić działa nieco inaczej niż tradycyjne układy regulatorów napięcia do motorowerów budowane samodzielnie.
Użyłem go w motorowerze Simson S51 ale zapewne może być zastosowany w innych z tradycyjną prądnicą.
Jest to ogranicznik napięcia, który wykorzystuje zjawisko zmniejszenia się napięcia na zaciskach cewki podczas poboru większego prądu przez odbiorniki.
Jeśli przy stałych obrotach silnika podłączymy do cewki np. żarówkę 35W, to napięcie na wyjściu cewki będzie niższe niż przy podłączeniu żarówki 21W. Można więc sterować napięciem na zaciskach cewki poprzez zmianę jej obciążenia: jeśli napięcie wzrośnie powyżej jakiegoś poziomu, to można włączyć równolegle do cewki dodatkowy odbiornik, który - poprzez pobór dodatkowego prądu - zmniejszy napięcie.
Układ ten działa na takiej zasadzie: "czai się" na zbyt wysokie napięcie z cewki i jeśli się ono pojawi, włącza się i obciąża cewkę tak, aby wróciło do założonego poziomu. Przypomina więc zawór bezpieczeństwa na kotle z wodą: uruchamia się tylko wtedy, gdy ciśnienie jest za duże i wypuszcza nadmiar pary w gwizdek, przez co ciśnienie nigdy nie wzrośnie powyżej ustalonej wartości.
Schemat blokowy:
Ten sam schemat z dołożonym mostkiem prostowniczym może posłużyć do budowy układu ograniczającego napięcie na żarówkach zapobiegając ich przepaleniu przy wysokich obrotach i nadmiernemu napięciu z cewki świetlnej. Będzie więc pełnił podobną rolę, jak stosowany oryginalnie układ EWR/ESB1, którego cena jest bardzo wysoka (ok. 120 zł). Koszt budowy tego układu, czy to jako układu ładowania czy odpowiednika EWR/ESB1 nie przekracza 5 zł, co wydaje się kuszącą alternatywą.
Układ został przez mnie wykonany i przetestowany, łącznie z pomiarami napięcia na akumulatorze. Jest on jednak stosunkowo świeży i ma niewielki "przebieg użytkowy". Elementem najbardziej narażonym na uszkodzenie na skutek przegrzania jest tranzystor. Jeśli ktoś ma magneto z silnym magnesami a więc cewki generują większe napięcie, tranzystor może się mocno nagrzewać (wytrzymuje 175 stopni). Tak więc na początku użytkowania trzeba sprawdzać temperaturę na radiatorze i koniecznie mieć podłączony bezpiecznik na akumulatorze. Jednym słowem: użycie układu jest na własne ryzyko.
Schemat układu
Ideę zaczerpnąłem z zasady działania układu EWR oraz ogranicznika napięcia ze skuterów. W układach tych elementem, który dodatkowo obciąża cewkę jest tyrystor. Po wzroście napięcia ponad ustalony poziom włącza się on, powodując zwarcie cewki do masy a tym samym obniżenie napięcia na jej zaciskach. Jednak tyrystor ma tą wadę, że nie da się go wyłączyć i będzie robił to zwarcie podczas całej połówki przebiegu napięcia. W moim układzie użyłem tranzystora MOSFET, który umożliwia płynne dostosowanie prądu: jeśli napięcie wzrośnie ponad założony poziom, to tranzystor się włącza i obciąża cewkę tylko w takim stopniu aby napięcie spadło do ustalonego poziomu. Pracuje on więc tylko podczas szczytów sinusoidalnego przebiegu i tylko wtedy, gdy jest to konieczne.
Zasadniczy schemat układu składa się jedynie z 3 elementów: diody Zenera Dz, rezystora R oraz T - tranzystora MOSFET, który pełni rolę sterowanego rezystora:
Zasada działania:
Na zaciski "+" i "-" jest podawane napięcie z mostka prostowniczego podłączonego wprost do akumulatora. Z chwilą, gdy napięcie z mostka wzrośnie powyżej napięcia przebicia diody Zenera Dz, przez rezystor R zaczyna płynąć prąd, powodując na nim spadek napięcia. To napięcie jest podawane na bramkę G tranzystora T. Ponieważ napięcie na diodzie Dz jest stałe, więc cały przyrost napięcia na zaciskach modułu powoduje identyczny wzrost napięcia na R. Tranzystor T zaczyna przewodzić, jeśli napięcie na bramce wzrośnie powyżej ok. 3,5 V i jego rezystancja między drenem D i źródłem S gwałtownie maleje. Ten spadek rezystancji powoduje gwałtowny wzrost prądu płynącego przez T a tym samym obciążenie cewki ładowania. Napięcie na cewce spada i także spada napięcie na rezystorze R, podawane na bramkę G. To mniejsze napięcie powoduje zmniejszenie prądu tranzystora T i przez to zmniejszenie obciążenia cewki. Ustali się więc pewne położenie równowagi, przy którym tranzystor będzie tak obciążał cewkę aby napięcie na wejściu układu było na założonym poziomie np. 7,5V czy 15V.
Zatem próg reakcji układu na napięcie ustala się poprzez napięcie diody Zenera. Dobierając to napięcie można łatwo sprawić aby układ działał zarówno przy napięciu instalacji 6 i 12V. Może być także używany przy prostowniku dławikowym (diodowym) i wówczas będzie ograniczał napięcie na jednej połówce wyprostowanego napięcia.
Układ "obcina" górne połówki wyprostowanego napięcia na ustalonym poziomie.
Wg literatury fachowej, wartości maksymalnego napięcia ładowania tradycyjnych akumulatorów z elektrolitem wynoszą 7,5V dla akumulatora 6V oraz 15,0V dla aku 12V.
Źródło:
- http://www.elportal.pl/pdf/k01/81_60.pdf
- http://www.elportal.pl/pdf/k01/82_62.pdf
Montaż i uruchomienie.
Tranzystor trzeba koniecznie zamontować na możliwie dużym radiatorze - ja użyłem radiatora ze starego procesora.
Można zapytać w firmie zajmującej się serwisem komputerów albo kupić za parę złotych na Allegro. Poniżej widać potrzebne elementy (są tutaj także 2 dodatkowe diody - wyjaśnienie na końcu):
Podzespołem, który ma decydujący wpływ na próg ograniczenia napięcia jest dioda Zenera. Problem tutaj jest taki, że można kupić tylko diody z o typowym szeregu napięcia, np. 3,6V, 5,6V, 10, 11, 12V a nie np. 10,5V. Także tranzystory mają pewien rozrzut napięcia bramki, przy którym następuje ich pełne otwarcie (z reguły ok. 4V).
Jeśli komuś się nie chce "dostrajać" układu, to może przyjąć że pełne otwarcie tranzystora IRFZ44N zachodzi przy 4V i dobrać diodę Zenera wg zależności: Umax-4V.
Czyli dla maksymalnego progu 15V (aku 12V) będzie to dioda na 11V, natomiast dla 7,5V (aku 6V) będzie to 3,6V.
Wartość napięcia bramki dla maksymalnego otwarcia dla innych typów tranzystorów trzeba poszukać w ich nocie katalogowej.
Jeśli ktoś chce bardziej precyzyjnie dobrać wartości elementów albo nie udało mu się kupić odpowiedniej diody, to na końcu jest dodatek o bardziej dokładnym dobieraniu napięcia.
Układ jest bardzo prosty, ale ponieważ jest używany w pojeździe, gdzie wstrząsów nie brakuje - lepiej go zmontować na kawałku płytki drukowanej. Ja rozdzieliłem część sterującą tranzystorem od niego samego z uwagi na radiator. Płytka jest niewielka, ma rozmiar 1,8x2,3 cm i oprócz miejsca na diodę Zenera i rezystor, są też dodatkowe punkty do podłączenia 3 diod służących do ewentualnego "dostrojenia" progu ograniczania napięcia (opis na końcu). Jeśli nie będą potrzebne, to po prostu trzeba wlutować zworkę. Tranzystor z płytką jest połączony 3 przewodami: te dla drenu i źródła lepiej zrobić o nieco większym przekroju: powyżej 0,5 mm średnicy.
Schemat płytki i rozmieszczenie elementów:
Realizacja praktyczna.
Do radiatora przykręciłem uchwyt do mocowania w motorze i przylutowałem elementy na płytce:
Ponieważ nie mogłem dopasować odpowiednio małego pudełeczka na płytkę drukowaną, postanowiłem zalać ją po prostu żywicą epoksydową. Ochroni to płytkę przed wpływami atmosferycznym a moce wydzielane na diodach i rezystorze są tak minimalne, że nie obawy ich przegrzania.
Tak to wygląda:
Podłączenie układu w instalacji
Najlepiej podłączyć układ "za stacyjką" a nie wprost na zaciski akumulatora, ponieważ pobiera on podczas spoczynku minimalne ilości prądu, co może spowodować nieznaczne rozładowywanie akumulatora. Układ może być stosowany zarówno z mostkiem prostowniczym, jak i pojedynczą diodą prostowniczą - podłączamy go plusem na plus wyjścia z prostownika a minusem do masy.
Ja u siebie mam plus z mostka podłączony do styku 15/51 na którym pojawia się napięcie z akumulatora po przekręceniu stacyjki w pozycję 1 i 2, zatem także ten układ jest podłączony do styku 15/51.
W instalacji z cewką bezmasową i mostkiem:
W instalacji z cewką masową i diodą prostowniczą:
Układ ten można także użyć w połączeniu z ELBĄ, jeśli ktoś ją ma w instalacji. Wadą ELBY jest to, że bada jedynie stan naładowania akumulatora a nie wpływa na poziom napięcia podawanego na aku. Dokładając taki ogranicznik napięcia spowodujemy lepsze parametry ładowania akumulatora: nie będzie on ładowany zbyt wysokim napięciem, zaś ELBA odetnie ładowanie po osiągnięciu przez aku stan pełnego naładowania. Wówczas układ ochroni także ELBĘ przed zbyt wysokim napięciem, które może pojawić się na jej styku 59a w sytuacji odcięcia przez nią akumulatora jako obciążenia cewki.
Tak wygląda moduł zamontowany w schowku Simsona:
Wady i zalety układu.
Wady:
- dodatkowe obciążenie cewki ładowania w sytuacji nadmiaru generowanej mocy, co może spowodować jej uszkodzenie
Zalety:
- niski koszt elementów (max 5zł) i prostota konstrukcji
- nie wymaga dużej ingerencji w instalację: podłącza się go między styk 15/51 a masę
- w zakresie niskich obrotów jest neutralny dla układu ładowania, włącza się tylko wtedy gdy występuje nadmiar generowanej mocy i "puszcza ją w gwizdek"
Ważne jest także dopasowanie odbiorników podłączonych do akumulatora. Najlepiej, jeśli prąd generowany przez cewkę ładowania jest częściowo konsumowany przez odbiorniki stałe, jak np. światło tylne. Wówczas tylko część prądu z cewki idzie na ładowanie akumulatora i układ nie musi zbyt często "zbijać" napięcia, przez co nie grzeje się zbyt mocno.
Ja u siebie w Simsonie mam wszystkie odbiorniki podłączone do akumulatora 12V/5Ah: światło mijania/drogowe (35W), tylne (5W), kierunki (2x21W), światło "stop" (21W), klakson. Całość jest zasilana z 2 cewek ładowania z mostkami prostowniczymi z połączonymi "plusami" i podłączonymi na styk 15/51 stacyjki (plus akumulatora).
Moduł przeszedł "chrzest bojowy" po podłączeniu go do obu cewek z połączonymi plusami mostków ale bez dodatkowego obciążenia. Na wyjściu mostków przy wysokich obrotach napięcie sięgało 90V. Po podłączeniu układu miernik pokazał max 14,6V. Radiator był lekko ciepły.
Po podłączeniu akumulatora, na max wysokich obrotach miernik pokazał 14,8V (bez świateł) oraz 14,2V przy włączonych światłach (razem 40W).
Układ jeździ od tygodnia i jak na razie spisuje się dobrze a akumulator nie zdradza oznak niedoładowania czy przeładowania.
Układ zapobiegający przepalaniu się żarówek (odpowiednik EWR/ESB1)
Cewka świetlna jest cewką masową (jeden odczep ma na masie), zatem generuje napięcie przemienne. Aby układ działał na obu połówkach napięcia, trzeba przed nim podłączyć mostek prostowniczy o prądzie co najmniej 8A. Same zasady dobierania diody Zenera są takie same jak opisałem wyżej. Trzeba tylko uwzględnić spadek napięcia na mostku prostowniczym (ok. 1,1V). Przyjmując Umax na żarówce 14V oraz stratę 1V na mostku, układ musi mieć Umax=13V, czyli dioda Zenera powinna być na napięcie 9V. Także ten układ ma tylko 2 styki i podłącza się równolegle do cewki i żarówki:
Przy wysokich obrotach, gdy szczyty napięcia sinusoidalnego przekraczają poziom bezpieczny, włącza się ogranicznik napięcia, który obniża je do bezpiecznego poziomu:
Oczywiście w żarówkach żarowych nie tyle istotne jest napięcie maksymalne, lecz napięcie skuteczne. Jednak w przypadku oświetlenia diodowego, które ma małą bezwładność taki zbyt wysoki "szczyt" może spalić LED-y.
Ten układ nie był testowany praktycznie, ale zasada działania jest identyczna jak powyżej, więc sądzę że będzie OK.
Dodatek: dobieranie napięcia diody Zenera
Jeśli nie mamy diody Zenera na potrzebne napięcie albo układ obcina napięcie zbyt nisko, może być potrzeba korekty i podwyższenia progu o np. 0,5V. Najprościej jest włączyć szeregowo z Dz jedną (albo więcej) inną diodę (prostowniczą, impulsową itd). Dioda włączona w kierunku przewodzenia ma także stały spadek napięcia ale dużo niższy w granicach 0,5-1,0V (można to zmierzyć miernikiem na zakresie z symbolem diody - wynik w mV). Jeśli więc połączymy diodę Zenera na 10V oraz 2 "zwykłe" diody, w kierunku przewodzenia, o spadku napięcia 0,6V to otrzymamy diodę zastępczą o "napięciu Zenera" 10+0,6+0,6=11,2V.
Czyli taki powstanie taki układ.
Takie rozwiązanie zastosowałem u siebie, ponieważ nie miałem diody Zenera na 11V - dlatego na płytce są wlutowane łącznie 3 diody zamiast jednej.
Oczywiście jeśli komuś uda się trafić na diodę idealnie dopasowaną do napięcia, to nie musi nic dokładać.
Wiadomo jak zmienić napięcie diody Zenera ale pytanie jak zmierzyć do jakiego poziomu układ będzie ograniczał napięcie, czyli Umax.
Najprościej jest podłączyć moduł w instalacji z akumulatorem i zmierzyć napięcie na nim przy wysokich obrotach. Najlepiej po kilkuminutowej przejażdzce, aby się podładował. U mnie największe napięcie aku wyniosło 14,8V.
Pomiar bez akumulatora (napięcie wyprostowane ale tętniące) na wyjściu prostownika z podłączonym układem, wykaże jakieś napięcie średnie albo skuteczne: u mnie miernik wskazał 11,6V.
Można podłączyć na styki modułu (bez akumulatora) kondensator elektrolityczny powyżej 1000uF. Jednak tutaj także miernik nie pokaże Umax, ponieważ podczas opadającej części sinusoidy część ładunku ucieknie z kondensatora podczas zamykania się tranzystora. Będzie to więc raczej napięcie otwarcia kanału D-S tranzystora. Z uwagi na stromość charakterystyki, można przyjąć że Umax wyniesie ok. 0,5V więcej. U mnie to napięcie wyniosło 14,5V zatem przybliżony Umax=15V.
Najprościej było by obejrzeć przebieg napięcia na oscyloskopie i przy jego pomocy ustalić Umax.
Ja nie mam oscyloskopu lecz jedynie przystawkę do karty dźwiękowej komputera. Pozwoliło mi to jedynie obejrzeć kształt napięcia po podłączeniu układu do prostownika samochodowego. Ale dało się zauważyć obcinanie szczytów sinusoidy
Umax można także oszacować poprzez pomiar pośredni "sondą" zrobioną z diody i kondensatora powyżej 200nF. Miernikiem trzeba wcześniej zmierzyć napięcie diody w kierunku przewodzenia i dodać tą wartość do zmierzonego woltomierzem napięcia:
Jest to mój pierwszy układ z wykorzystaniem MOSFET-a, więc być może coś przeoczyłem, są jakieś zagrożenia w trakcie eksploatacji itp.
Gdyby ktoś miał jakieś uwagi odnośnie takiego rozwiązania, propozycje poprawek itp. to zapraszam
Cool? Ranking DIY
