Automatyczny prostownik DIY

Prostownik do ładowania akumulatorów samochodowych to jedno z urządzeń, które każdy posiadacz samochodu powinien mieć. Jakość gotowych, sprzedawanych urządzeń jest różna i najczęściej zależy od ceny. Na szczęście ładowarka jest prostym urządzeniem i każdy elektronik hobbysta poradzi sobie z samodzielną budową. Na stronie przedstawiłem już Prosty prostownik z automatyką do akumulatorów samochodowych, teraz czas na drugi. Poniżej opiszę budowę od podstaw prostego prostownika DIY z automatycznym wyłączaniem po naładowaniu akumulatora. Układ elektroniczny nie jest skomplikowany a użyte elementy tanie i łatwo dostępne.

Prostownik DIY – zasada działania i schemat

Ładowarka do akumulatorów samochodowych może składać się tylko z transformatora sieciowego o odpowiedniej mocy i mostka prostowniczego. Taki układ jest w stanie skutecznie naładować akumulator, ale nie zapewnia kontroli napięcia i może doprowadzić do przeładowania a nawet trwałego uszkodzenia. Dostępne w handlu urządzenia bez automatycznego przerywania ładowania najczęściej posiadają transformator o napięciu 12V AC i mostek prostowniczny. Maksymalne napięcie jakie wystąpi na zaciskach naładowanego akumulatora wyniesie wtedy:

gdzie

Uak – napięcie na akumulatorze,
Utr – napięcie transformatora,
Umg – spadek napięcia na mostku prostowniczym

Stosując transformator sieciowy o napięciu wyściowym równym 12V, zakładając, że spadek napięcia na mostku prostowniczym wyniesie 1,3V (po 650mV na diodę), na w pełni naładowanym akumulatorze napięcie wyniesie:

Większość akumulatorów wymaga odłączenia ładowania po osiągnięciu 15V, przy którym występuje gazowanie elektrolitu i wydzielanie wodoru. Wynika z tego, że taki najprostszy prostownik naładuje do pełna akumulator. Jednak cały proces będzie trwał bardzo długo z uwagi na niskie napięcie transformatora. Początkowy prąd będzie wynosił ok. 3A i będzie malał wraz ze stopniem naładowania. W miarę sensowny czas ładowania osiągniemy tylko w przypadku małych baterii kwasowo-ołowiowych o pojemnościach do 40-kilku Ah. Transformator o wyższym napięciu wyjściowym pozwoli na większy prąd, ale to wymaga już nadzorowania procesu ładowania i przerwania go po osiągnięciu wspomnianych wcześniej 15V. Dalsza część opisu będzie dotyczyła właśnie takiego prostownika.

Pierwowzór układu elektronicznego pochodzi z Praktycznego Elektronika nr 10/2000 – Prostownik z automatycznym wyłączaniem. Układ nieco zmodyfikowałem, przystosowując go do posiadanych elementów, schemat wygląda następująco:

Całość składa się z transformatora sieciowego z odczepem o napięciu wyjściowym 2x15V i mocy około 70-80W. Napięcie jest prostowane za pomocą dwóch diod Schottky’ego w jednej obudowie odzyskanej z zasilacza komputerowego (Darmowe części elektroniczne ze starych zasilaczy ATX). Tranzystor MOSFET z kanałem P włącza i wyłącza prąd ładowania. Jest on sterowany tranzystorowym przerzutnikiem Schmitt’a zbudowanym z T2 i T3, sygnałem wejściowym (wyzwalającym) jest napięcie na akumulatorze, pomniejszone o 12V przez diodę Zenera D3. Potencjometr P1 umożliwia ustawienie napięcia wyłączającego ładowanie. Rezystory R5 i R6 są połączone równolegle ze względu na wydzielaną moc. Ich zadaniem jest ochronić T1 przed udarami prądowymi – MOSFETy bardzo nie lubią zwarć. R3 doładowuje akumulator niewielkim prądem po wyłączeniu ładowania zasadniczego. Do układu dołączyłem amperomierz (szeregowo, w linii +), a za nim woltomierz (równolegle). Pozostałe elementy to bezpiecznik i włącznik, umieszone w zasilaniu uzwojenia pierwotnego. Rezystor R1 zmniejsza prąd do wartości bezpiecznej dla diody LED D2, sygnalizującej włączenie zasilania.

Do układu zaprojektowałem płytkę drukowaną, bazując również na oryginalnym wzorze opublikowanym w Praktycznym Elektroniku. Duże, owalne pojedyńcze pady lutownicze służą do zamocowania radiatora, również odzyskanego z zasilacza komputerowego:

Płytka jest jednostronna, nie zawiera zworek, idealnie nadaje się do samodzielnego wykonania według tego opisu: Jak zrobić płytki drukowane w domu. Cały projekt został wykonany w darmowym KiCAD’zie, wszystkie pliki, w tym pdf i ps z lustrzanym odbiciem ścieżek można pobrać stąd:

>> POBIERZ Prosty prostownik DIY – projekt wykonany w programie KiCAD

Spis elementów:
R1 – 1,5kΩ
R2 – 220Ω
R3 – 47Ω/2W
R4 – 330Ω
R5, R6 – 0,41Ω/5W
R7, R11 – 1kΩ
R8 – 10kΩ
R9 – 15kΩ
R10 – 3,3kΩ
P1 – pot. leżący 1kΩ

C1, C2 – 470μF/35V
C3 – 100μF/16V

D1 – STPS3045 lub inna 2xSchottky, wspólna katoda, obudowa TO-247
D2 – dioda LED
D3 – dioda Zenera 12V

T1 – IRF9540
T2, T3 – BC548

TR1 – trafo 2x15V 100W
F1 – bezpiecznik 1A
Pozostałe: woltomierz, amperomierz, krokodylki, kable, wyłącznik zasilania 230V, radiator, obudowa

Jak widać, elementów jest niewiele. W przypadku problemów ze zdobyciem diody D1, można użyć inną podwójną ze wspólną katodą w obudowie np. TO-220, która będzie pasować do płytki po wygięciu skrajnych nóżek. Wspomniana dioda, radiator, rezystory można odzyskać z uszkodzonych zasilaczy ATX. Ja musiałem dokupić tylko tranzystor IRF9540 i analogowe wskaźniki napięcia i prądu, resztę podzespołów znalazłem w swoich zapasach.

Budowa automatycznego prostownika

Prace zacząłem od wytrawienia płytki i wiercenia otworów. Od strony ścieżek pomalowałem ją roztworem denaturatu i kalafoni:

Do ścieżek przewodzących spore prądy dolutowałem drut miedziany o średnicy 1,5mm (masa od złącza Z1 do Z2, napięcie zmienne od Z1 do D1, plus od D1 do T1 i do R5,R6 oraz Z2). Dzięki temu uniknąłem sporych spadków napięć i ewentualnego przepalenia ścieżek. Montaż najlepiej rozpocząć od najmniejszych części. Elementy D1 i T1 zostały przykręcone do radiatora za pośrednictwem podkładek i tulejek izolujących, jest to absolutnie konieczne!

Podczas testów prostownika okazało się, że R5 i R6 są bardzo gorące (80ºC) a unoszące się powietrze mocno podgrzewa zagięty nad nimi radiator, który osiągał nawet 70ºC. Zastosowany przeze mnie transformator ze starej wieży audio firmy Nordmende również nagrzewał się do 80ºC. Postanowiłem zastosować wentylator. By zbytnio nie przerabiać płytki, zmieniłem wartość R1 z 1,5kΩ na 33Ω 2W, w miejsce D2 wlutowałem goldpiny pod które podpiąłem komputerowy wiatrak 120mm o napięciu 12V i prądzie 300mA. Podczas ładowania jest on zasilany napięciem ok. 10V i skutecznie chłodzi grzejące się elementy.

Jedyna regulacja układu polega na ustawieniu napięcia 2,4V na P1 oraz zweryfikowaniu, czy wyłączenie ładowania nastąpi po osiągnięciu 15V na akumulatorze.

Kolejny etap prac to przygotowanie obudowy. Zdecydowałem się na metalową z grubej blachy, odzyskaną ze starego zasilacza ATX firmy Delta. Najwięcej czasu wymagało wykonanie okrągłych otworów pod mierniki prądu i napięcia. Najlepiej posłużyć się tutaj papierowym szablonem i multiszlifierką z mini tarczą do metalu:

Kable doprowadzające prąd do akumulatora powinny mieć odpowiedni przekrój, minimum 3mm2. Ja wykorzystałem przecięty na pół komputerowy kabel zasilający z odciętymi wtykami. Trzy żyły połączyłem razem, całość wyszła bardzo solidnie, z podwójną izolacją, a bezużyteczny przewód z angielskim wtykiem okazał się przydatny. Zastosowane przeze mnie ponad 25-letnie krokodylki miały całkiem inne zastosowanie – nie mam pojęcia jakie, ale nadają się do elektrod akumulatora.

Z uwagi na brak miejsca, wentylator musiałem zamontować na zewnątrz obudowy, koniecznie trzeba do niego przykręcić maskownicę, której brak na zdjęciach z uwagi na przeprowadzane testy. Płytka znajduje się w lewej części obudowy, transformator po prawej, nieco szczegółów widać na poniższej fotce. Do zasilania wykorzystałem tylne oryginalne gniazdko i przełącznik:

Bezpiecznik udało się zmieścić w bocznej ściance. Jest do niego łatwy dostęp, bez konieczności rozkręcania obudowy:

Na spodzie obudowy znajdują się tylko dwie śruby M5 mocujące transformator i cztery M3 ustalające położenie płytki drukowanej. Na brzegach przykleiłem gumowe stopki, dzięki którym nie zostanie porysowana podłoga:

Pierwsze próby działania przeprowadziłem na 12 letnim akumulatorze Varta o pojemności 80Ah. Wyładowany i zimny akumulator był ładowany początkowym prądem 7A, przy wyłączaniu wynosił on 3,5A. W przypadku mniejszych akumulatorów prądy te mogą być nieco mniejsze z uwagi na rezystancję wewnętrzną.

Po osiągnięciu 15V następowało wyłączanie ładowania, które było wznawiane po spadku napięcia do 13,5V. Proces był cykliczny i następował co kilka minut.

Ładowanie innego akumulatora, o pojemności 70Ah i napięciu 12V, całkowicie wyładowanego , trwało 14 godzin. Z całego procesu nagrałem film w trybie timelaps o długości 3 minut, który obrazuje cały proces ładowania:

Układ nie posiada zabezpieczenia przed zwarciem i jego używanie nie zwalnia z myślenia – nie wolno zwierać ze sobą krokodylków! Mimo rezystorów R5 i R6, istnieje ryzyko uszkodzenia tranzystora IRF9540 (T1), które najczęściej objawia się przebiciem do wszystkich jego elektrod.

Za sprawą R3 po podłączeniu akumulatora do wyłączonego prostownika, włącza się wentylator. Można to wyeliminować przez zastosowanie zwykłej diody prostowniczej szeregowo z R3, anodą wlutowaną od strony źródła T1.