Chciałbym zaprezentować konstrukcję jednogodzinnej ładowarki przystosowanej do ładowania akumulatorków NiMH oraz NiCd 1,2V o rozmiarach HR6/AA i HR03/AAA. Ładowarka posiada dwa oddzielne kanały, dzięki którym możemy ładować jednocześnie dwa różne akumulatorki lub po niewielkich przeróbkach cztery parami w szeregu. Dla każdego kanału można niezależnie ustawić dowolną wartość prądu ładowania w zakresie od 300mA do 2,5A na kanał. Stan ładowania sygnalizują dwukolorowe diody LED. Konstrukcja oparta jest o mikrokontroler ATtiny26. Program sterujący używa algorytmów dT/dt oraz -dV do wykrycia momentu końca ładowania akumulatorków, dzięki czemu możliwe jest szybkie i jednocześnie bezpieczne ładowanie prądami w szerokim zakresie od C/3 do 1C. Ładowarka jest w pełni automatyczna i nie posiada żadnych przycisków. Zasilać możemy ją wydajnym zasilaczem wtyczkowym lub z akumulatora samochodowego. Poniżej przedstawiam również profile ładowania wykonane przy użyciu opisywanej ładowarki za pomocą zmodyfikowanej wersji programu w trakcie testów, jednak ostateczna wersja nie posiada takiej możliwości.
Sposoby ładowania akumulatorków
Zanim przejdę do bardziej szczegółowego opisu ładowarki i możliwości jej modyfikacji chciałbym przybliżyć osobom mniej zorientowanym w temacie, w jaki sposób w ogóle ładuje się akumulatorki oraz wyjaśnić używane w opisie oznaczenia. Popularne akumulatorki niklowo-wodorowe czy wychodzące z użycia akumulatorki niklowo-kadmowe o napięciu nominalnym 1,2V ładuje się prądem o stałej wartości. Jeśli mówimy, że akumulatorek o pojemności 1000mAh ładujemy prądem C/2 (lub 0,5C) to znaczy, że wartość tego prądu wyniesie 500mA, a akumulatorek zostanie naładowany do pełna teoretycznie w 2 godziny. Ładowanie tego samego akumulatorka prądem 1C oznacza ładowanie go prądem 1000mA przez 1 godzinę. Jak więc widać, czym większym prądem ładujemy akumulatorek tym szybciej naładujemy go do pełna. Dawniej producenci zalecali ładowanie małymi prądami rzędu C/10 przez kilkanaście godzin. Mało komu chce się czekać tak długi czas. Produkowane dziś niektóre akumulatorki przystosowane są do szybkiego ładowania (ang. Fast charge) prądem 1C w czasie godziny, większość pozostałych można ładować prądem C/3 (ang. Quick charge) przez trochę ponad trzy godziny. W trakcie ładowania bardzo istotne jest prawidłowe określenie momentu, w którym akumulatorek jest już w pełni naładowany, dalsze ładowanie skutkuje jego przeładowaniem, przez co często zostaje skrócona jego żywotność. Ryzyko przeładowania jest tym większe, im większym prądem ładujemy akumulatorek, ponieważ wszystko przebiega szybciej. Przy prądach sporo mniejszych niż C/3 koniec ładowania wyznacza najczęściej prosty timer ustawiony na odpowiedni czas stosowany w najprostszych i najtańszych ładowarkach. Ta metoda nie sprawdza się jednak przy prądach ładowania C/3 i większych. Powszechnie wykorzystywanym sposobem jest tak zwana ujemna delta napięcia (-dV) akumulatorka. Podczas ładowania akumulatorka jego napięcie rośnie i osiąga maksimum, gdy jest naładowany do pełna, a następnie nieznacznie spada. W przypadku akumulatorków NiMH ten spadek jest bardzo mały, trochę większy jest w akumulatorkach NiCd. Wykrywając te niewielkie zmniejszenie się napięcia określamy moment zakończenia ładowania, który dla akumulatorków NiMH jest ustalony jako spadek napięcia o 10mV. To bardzo mało i stawia bardzo duże wymagania układowi pomiaru napięcia w ładowarce. Ważne jest, aby możliwie jak najwcześniej wykryć ten moment, ponieważ akumulatorek zaczyna być już przeładowywany. Łatwiej jest to pokazać na rysunku. Nie chcę kopiować książkowych wykresów, dlatego też prezentuję rzeczywiste profile ładowania, które wykonałem opisywaną ładowarką ładując za każdym razem ten sam akumulatorek NiMH.
Górny wykres pokazuje jak zmienia się napięcie akumulatorka w trakcie ładowania go prądem C/3, a dolny obrazuje zmiany jego temperatury. Szczyt napięcia jest dobrze widoczny, a pionowa czarna linia -dV pokazuje moment, w którym ładowarka zakończyła ładowanie. Temperatura zaczyna rosnąć gwałtownie, gdy akumulatorek osiąga pełne naładowanie.
Przy ładowaniu prądami 1C ta metoda jest również skuteczna, ale opracowano inną, lepszą metodę, która zapewnia nieco wcześniejsze zakończenie ładowania, nie narażając akumulatorka na przeładowanie. Tym razem działamy na zmianach temperatury akumulatorka, a dokładnie interesuje nas szybkość tych zmian w pewnym przedziale czasu, a nie przykładowo jej wartość absolutna, co pozwala w pewnym stopniu uniezależnić się od temperatury otoczenia. Jest to metoda oznaczana jako dT/dt. Proces ładowania należy zakończyć, gdy temperatura akumulatorka wzrosła o więcej niż jeden stopień Celsjusza w ciągu minuty. Poniższy profil ładowania pokazuje ten moment, gdy akumulatorek jest ładowany prądem 1C. W pierwszej chwili wykres może wydawać się bardzo podobny do poprzedniego, jednak należy zauważyć, że jest na nim inna skala czasu.
Pionowa linia dT/dt oznacza miejsce, w którym ładowanie zostałoby przerwane przez metodę dT/dt, ale aby pokazać pozostałą część wykresu było kontynuowane przez ładowarkę aż do zakończenia ładowania metodą -dV. Jak widać koniec nastąpił przed osiągnięciem pełnego naładowania przez akumulatorek. Konieczne jest więc dodatkowe doładowanie go do 100% pojemności (ang. Top-off, Top-up charge). Akumulatorek ładowany jest wówczas mniejszym prądem przez określony czas. Korzyści są oczywiste. Mimo bardzo szybkiego ładowania akumulatorka nie narażamy go na przeładowanie i nie dopuszczamy do nadmiernego wzrostu jego temperatury, co mogłoby się skończyć jego uszkodzeniem. Jednoczesne połączenie obydwu opisanych technik pozwala na bezpieczne ładowanie akumulatorków w szerokim zakresie prądów ładowania. Po zakończeniu ładowania akumulatorki doładowuje się niewielkim prądem konserwującym (ang. Maintenance, Trickle charge), aby nie ulegały samorozładowaniu i były w każdej chwili gotowe do użycia. Przedstawione sposoby określania końca ładowania akumulatorka zostały zaimplementowane w programie sterującym prezentowanej ładowarki. Powyższy opis powstał między innymi w oparciu o świetną moim zdaniem publikację na ten temat http://www.duracell.com/oem/Pdf/others/TECHBULL.pdf oraz własne doświadczenia.
Opis ładowarki
Konstrukcja ładowarki od strony elektrycznej nie jest specjalną nowością. Została oparta na istniejących już i co ważniejsze sprawdzonych rozwiązaniach, mimo tego problemów przy jej konstrukcji było sporo. Zastosowanie liniowych źródeł prądowych uniemożliwiłoby lub znacznie utrudniło uzyskanie dużej wydajności prądowej przy niedużych rozmiarach. Pozostała więc technika impulsowa. Ładowarka zawiera dwie identyczne przetwornice obniżające DC/DC (ang. buck converter) zaadaptowane do pracy w charakterze źródeł prądowych, sterowane dwoma kanałami PWM mikrokontrolera ATtiny26 o częstotliwości nieco ponad 30kHz. Mikrokontroler ten idealnie nadaje się do tego zadania, ponieważ dodatkowo posiada przetwornik A/C z wejściami różnicowymi, co pozwala na pomiary prądu ładowania bez stosowania zewnętrznych wzmacniaczy operacyjnych. Diody Zenera D10-D13 zabezpieczają wejścia mikrokontrolera przed napięciami wyższymi niż jego napięcie zasilania wynoszące 5V i ich montaż jest absolutnie konieczny. Jako źródło napięcia odniesienia pracuje układ TL431. Napięcie referencyjne należy ustawić potencjometrem P1 (Vref) na wartość 3072mV, co przy wbudowanym przetworniku A/C zapewni rozdzielczość 3mV przy pomiarach napięcia i 3mA przy pomiarach prądu ładowania. Pomiary temperatury dokonywane są za pomocą układów LM35DZ, co bardzo ułatwia uruchomienie ładowarki, ponieważ odpada konieczność kalibracji układów pomiaru temperatury, które są najczęściej realizowane przy pomocy termistorów, jednocześnie zyskujemy na dokładności. Stan każdego z kanałów sygnalizują dwukolorowe diody LED D4 i D5.
Czerwona nie świeci, zielona nie świeci - brak akumulatorka lub napięcie na włożonym akumulatorku jest za wysokie.
Czerwona świeci, zielona nie świeci - trwa ładowanie akumulatorka.
Czerwona nie świeci, zielona pulsuje - trwa ładowanie uzupełniające.
Czerwona nie świeci, zielona świeci - akumulatorek naładowany; ładowanie konserwujące.
Czerwona i zielona pulsują naprzemiennie - temperatura poza dozwolonym zakresem; ładowanie przerwane.
Czerwona błyska, zielona nie świeci - nieprawidłowa praca ładowarki; ustawiono zbyt duży prąd ładowania lub akumulatorek uszkodzony.
Aby możliwe było wybranie dowolnego prądu ładowania, jego wartość ustawiamy regulując napięcie na potencjometrach wieloobrotowych P2-P5. Dla każdego kanału można zaprogramować dwie różne wartości, jedną dla akumulatorków o rozmiarze HR6/AA i drugą dla HR03/AAA. Wyboru dokonujemy za pomocą przełączników S1 i S2. Opisany sposób można oczywiście zmienić, o czym w dalszej części opisu. Możliwe do ustawienia wartości zostały ograniczone do zakresu od 300mA do 2,5A. Prąd ładowania można ustawić regulując potencjometrem i mierząc napięcie w punktach S1 (S2), a następnie stosując wzór:
napięcie_na_potencjometrze [mV] = prąd_ładowania [mA] - 300, gdzie 0 [mV] <= napięcie_na_potencjometrze <= 2200 [mV]
Możliwy jest również pomiar spadku napięcia na rezystorach pomiarowych, jednak ze względu na krótkie przerwy stosowane przez ładowarkę w trakcie ładowania wartości mogą się wahać, przez co należy uwzględnić tylko wartości największe, a następnie obliczyć wartość prądu ładowania z prawa Ohma.
Sposób działania ładowarki
Po włożeniu akumulatorka, na którym napięcie jest mniejsze niż 1,5V rozpoczyna się ładowanie z ustawioną wartością prądu ładowania. Co pewien czas sprawdzana jest temperatura akumulatorka, jego napięcie i zaprogramowana wartość prądu ładowania. Po 5 minutach od rozpoczęcia ładowania uaktywniany jest algorytm -dV oraz po 10 minutach algorytm dT/dt. Opóźnienia te są konieczne, ponieważ istnieje ryzyko przedwczesnego zakończenia ładowania. Algorytm -dV kończy ładowanie, gdy napięcie akumulatorka zmniejszy się o 9mV, a następnie ładowarka przechodzi do ładowania konserwującego prądem C/200 sygnalizując pełne naładowanie. Algorytm dT/dt kończy ładowanie, gdy przyrost temperatury w ciągu minuty wyniesie 0,9 stopnia Celsjusza, a następnie ładowarka przechodzi do ładowania uzupełniającego prądem C/10 przez 30 minut, po czym również przełącza się do ładowania konserwującego. Poniższy wykres pokazuje sposób, w jaki uzyskuje się różne wartości prądu ładowania w każdej z opisywanych faz ładowania. W trakcie przerw dokonywane są pomiary. Wykres ma charakter poglądowy i rzeczywiste proporcje nie zostały zachowane.
Dodatkowy timer bezpieczeństwa ogranicza czas ładowania do 4 godzin pozwalając na naładowanie akumulatorka do pełna prądem C/3. Maksymalna wartość napięcia akumulatorka podczas ładowania nie może przekroczyć 1,8V. Jeśli temperatura przekroczy 55 stopni, lub obniży się do 10 stopni ładowarka zasygnalizuje ten fakt i przerwie ładowanie. Po zmniejszeniu się temperatury do 40 stopni, lub wzroście do 12 stopni ładowarka przejdzie do ładowania konserwującego. W przypadku odwrotnego włożenia akumulatorka lub włożenia uszkodzonego (np. zwartego), na którym napięcie jest mniejsze niż 0,3V ładowarka zasygnalizuje pełne naładowanie. Akumulatorki można ładować niezależnie w obydwu kanałach. Ze względu na sposób działania układu po wyjęciu naładowanego akumulatorka należy odczekać do kilku sekund, aż zgaśnie zielona dioda. Dopiero wtedy można włożyć następny akumulatorek. Nie należy również ponownie wkładać tego samego naładowanego już akumulatorka, ponieważ zostanie przeładowany ze względu na początkowe opóźnienia w działaniu algorytmów dT/dt i -dV. Mocowanie akumulatorka musi być pewne, ponieważ w przeciwnym wypadku proces ładowania może zostać zaburzony prowadząc do przeładowania.
Program sterujący
Napisanie programu sterującego na mikrokontroler okazało się dużo trudniejsze niż przypuszczałem. Program został napisany w języku C przy użyciu WinAvr'a. Pierwsza wersja powstała dość szybko, lecz kompletnie się nie sprawdziła. Następna była lepsza, ale pochłonęła znacznie więcej czasu, po czym okazało się, że pamięć mikrokontrolera jest dużo za mała, żeby pomieścić wynikowy program. Po rezygnacji z niektórych mniej potrzebnych funkcji, silnej optymalizacji kodu i wielu godzinach testów udało się osiągnąć zadowalające wyniki i jednocześnie zmieścić się w 2KB. Nie publikuję kodu źródłowego, jedynie w pełni funkcjonalny kod wynikowy w formacie IntelHEX, umożliwiający zbudowanie opisywanej ładowarki. Po zaprogramowaniu mikrokontrolera trzeba jeszcze następująco ustawić bity konfiguracyjne: RSTDISBL = 1, EESAVE = 0, BODLEVEL = 0, BODEN = 0, PLLCK = 1, CKOPT = 1, SUT1 = 0, SUT0 = 0, CKSEL3 = 0, CKSEL2 = 1, CKSEL1 = 0, CKSEL0 = 0.
Mikrokontroler jest taktowany z wewnętrznego oscylatora RC pracującego z częstotliwością 8MHz. Ponieważ stabilność tego generatora jest dużo gorsza niż generatora kwarcowego istnieje możliwość dokładniejszej kalibracji częstotliwości jego pracy. Nie jest to absolutnie konieczne, ale zalecane. Aby każdorazowo przy uruchomieniu częstotliwość była kalibrowana należy odczytać programatorem jednobajtową wartość kalibrującą dla częstotliwości 8MHz zapisaną na stałe razem z sygnaturami mikrokontrolera podczas jego produkcji, a następnie zaprogramować ją w pierwszej komórce pamięci EEPROM mikrokontrolera pod adresem 0x00. Każda zapisana pod tym adresem wartość inna niż 0xFF będzie automatycznie ładowana przez program sterujący do rejestru kalibrującego przy uruchomieniu.
Montaż ładowarki
Wartości wszystkich elementów można odczytać ze schematu, a podczas montażu pomocne mogą być zamieszczone zdjęcia. Głównymi elementami przetwornic obniżających DC/DC są cewki L1 i L2 i od nich zależą w dużym stopniu uzyskane parametry ładowarki oraz stabilność jej pracy. Widoczne na zdjęciach cewki nawinąłem własnoręcznie wykorzystując toroidalne rdzenie cewek filtrów wyjściowych pochodzące z uszkodzonych zasilaczy AT i ATX. Rdzenie te mają średnicę zewnętrzną 23mm, wewnętrzną 13mm i wysokość 9mm. Po odwinięciu starych uzwojeń na każdy rdzeń nawinąłem po około 4,5m drutu o średnicy 0,7mm tworząc około 130 zwojów. Tak nawinięte cewki mają indukcyjność około 270uH, ale nie oznacza to, że każda cewka nawinięta tym samym drutem na takim rdzeniu będzie miała tą samą indukcyjność ze względu na mogącą znacznie różnić się przenikalność magnetyczną rdzeni. Dobór optymalnych indukcyjności nie jest łatwy. Występuje tutaj niekorzystne zjawisko polegające na tym, że zależność współczynnika wypełnienia impulsów w stosunku do uzyskiwanej wartości prądu ładowania nie jest liniowa. W konsekwencji trudniej jest uzyskać dokładne wartości prądu ładowania przy większej ich wartości, co więcej bez wpływu nie pozostaje zasilanie ładowarki różnymi wartościami napięcia. Jeśli indukcyjność będzie zbyt mała prąd będzie mocno pulsujący, co niekorzystnie przełoży się na stabilność pracy całego układu, jeśli będzie zbyt duża może nie być możliwe uzyskanie dużych wartości prądu ładowania. Kwestia samego zasilacza jest również ważna. Zastosowany zasilacz musi w każdej chwili być w stanie dostarczyć prądu o dostatecznie dużej wartości. Przy zastosowaniu słabego zasilacza napięcie zasilania może się tak obniżyć, że mikrokontroler zostanie zrestartowany, po czym znów rozpocznie ładowanie, a następnie z powodu nadmiernego obciążenia cykl się powtórzy. Ładowarka nie może pracować w takim stanie, ponieważ nie działa wówczas poprawnie kontrola ładowania i akumulatorki zostaną po jakimś czasie prawdopodobnie przeładowane. Tą sytuację można zaobserwować przez miganie czerwonej diody i lekkie przygasanie diody sygnalizującej obecność zasilania. Okazać się więc może, że konieczne będzie poeksperymentowanie z różnymi indukcyjnościami cewek i dobór optymalnej wartości dla konkretnego napięcia zasilania ładowarki.
Płytka drukowana ma wymiary 106,2 x 74,7mm i została dopasowana tak, aby zmieściła się w obudowie KM-40. Czujniki temperatury należy umieścić tak, aby miały możliwie najlepszy kontakt z ładowanymi akumulatorkami. Od dokładności regulacji źródła napięcia odniesienia zależy dokładność wszystkich pomiarów, dlatego konieczne jest ustawienie jego wartości możliwie jak najdokładniej używając multimetru dobrej klasy. Przy elementach jak na schemacie teoretyczne jest uzyskanie 2,5A prądu na kanał, jednak ze względu na bardzo silne nagrzewanie się niektórych elementów praktyczne maksimum to 2A na kanał, chyba że zastosujemy bardzo dobre chłodzenie.
Modyfikacje ładowarki
Ładowarka została tak zaprojektowana, aby mogła być łatwo modyfikowana bez konieczności dokonywania zmian w programie sterującym. Dalej opisywane modyfikacje nie zostały sprawdzone w praktyce, dlatego należy liczyć się z możliwością wystąpienia potencjalnych problemów. Ładowarkę można teoretycznie dostosować do jednoczesnego ładowania 4 akumulatorków, parami w szeregu. Należy utworzyć dzielnik napięcia na pół przylutowując równolegle do diod Zenera D10-D13 rezystory 1kom, przynajmniej 1%, aby błąd był jak najmniejszy. Ponieważ obniżyliśmy napięcie o połowę, również została obniżona o połowę wartość spadku napięcia na rezystorze pomiarowym i aby to skompensować należy zwiększyć dwukrotnie jego wartość montując rezystor 0,1ohma. Postępując w ten sposób można teoretycznie dostosować ładowarkę do jeszcze większej ilości ogniw. Konieczne może być również zwiększenie napięcia zasilającego, należy pamiętać jednak, aby nie przekroczyć maksymalnego napięcia wejściowego stabilizatora U2 (7805) oraz elementów przetwornic DC/DC lub zastosować oddzielne zasilanie. Istnieje również teoretyczna możliwość zwiększenia maksymalnego prądu ładowarki z 2,5A do 5A przez zastosowanie rezystora pomiarowego 0,025ohma zamiast 0,05ohma w każdym z kanałów. Konieczne będzie wówczas dodatkowe przebudowanie przetwornic DC/DC przez zastosowanie elementów o większej dopuszczalnej obciążalności i umieszczenie ich na innej płytce z szerszymi ścieżkami. Zmodyfikować możemy także sposób programowania prądu ładowania stosując zamiast potencjometrów wieloobrotowych i przełączników zwykły potencjometr obrotowy zamontowany w obudowie. Odpowiednio wyskalowany pozwoli na łatwy wybór dowolnej wartości prądu. Również nic nie stoi na przeszkodzie, aby zastosować inne kolory diod sygnalizujących stan ładowarki.
Model
Na prezentowanym prototypie ładowarki przeprowadziłem łącznie kilkanaście ładowań ładując różne typy akumulatorków. Przy najmniejszych wartościach prądu ładowanie kończył algorytm -dV, przy prądach większych niż C/2 algorytm dT/dt ze względu na bardziej gwałtowny wzrost temperatury pod koniec ładowania co pokazują profile ładowania, choć końcowa temperatura była nieco niższa. Widoczny na zdjęciu zasilacz wtyczkowy pozwolił na jednoczesne ładowanie dwóch akumulatorków w obydwu kanałach prądem 1A każdy. Dla uzyskania większych prądów ładowania konieczne było zasilenie ładowarki zasilaczem większej mocy z transformatorem toroidalnym. Układ ładowarki zamknięty jest w plastikowej obudowie i jeśli chodzi o wygląd to uważam, że niestety nie jest najlepszy ze względu na to, że koszyki na baterie są bardzo niskiej jakości i konieczne było zastąpienie oryginalnych styków śrubami, aby zapewnić odpowiednio dobry kontakt przez co z kolei musiałem porozcinać je, aby mieściły się w nich akumulatorki. Odpowiednie umiejscowienie czujników temperatury (LM35DZ) jest bardzo istotne w przypadku gdy chcemy, aby ładowarka kończyła ładowanie metodą dT/dt. Początkowo czujniki te umieściłem pod koszykami, a pomiędzy nimi przykleiłem kawałek miedzianej blaszki tak, aby z jednej strony do blaszki dotykał akumulatorek, a z drugiej czujnik temperatury. Niestety to rozwiązanie nie sprawdziło się i musiałem wystawić czujniki na zewnątrz obudowy, aby bezpośrednio dotykały akumulatorka. Mimo tego, że model ładowarki posiada miejsca na cztery akumulatorki, jednocześnie ładować można tylko dwa, ponieważ dla każdego kanału jest jeden koszyk na akumulatorek HR6/AA i drugi na HR03/AAA połączone równolegle ze sobą. Stabilizator U2 (7805) nagrzewa się dość mocno podczas pracy, dlatego konieczne może być przykręcenie do niego niewielkiego radiatora z zagiętego kawałka miedzianej blachy.
Uwaga! Ponieważ w układzie przepływają prądy o dużych wartościach, niektóre elementy mogą się mocno nagrzewać lub ulec uszkodzeniu przy niewystarczającym chłodzeniu - należy zachować ostrożność.
Fajne! Ranking DIY
- działa , ładuje więc jak dla mnie jest OK
). W górę też nie można przesadzać, bo przy zbyt dużej częstotliwości przebieg prostokątny na mosfecie będzie zniekształcony przez pojemność jego bramki, co zaowocuje nadmiernym nagrzewaniem się tranzystora. Można oczywiście przeprowadzać obliczenia ale uważam, że najłatwiej jest doświadczalnie popróbować z różnymi częstotliwościami i obserwować jak zachowuje się ładowarka.
Postaram się zrobić to jak najszybciej i napiszę o problemach, bo jestem niemal pewien, że takowe się pojawią