Impulzusüzemű töltő kis zselés ólomakkumulátorhoz

Impulzusüzemű töltő kis zselés ólomakkumulátorhoz

A legkülönbözőbb hordozható gyári és amatőr elektronikai berendezés, műszer stb. áramellátását újabban előszeretettel bízzák zselés ólomakkumulátorra. Az alábbiakban egy 6 V-os, 3,6 Ah-s akkumulátorhoz - ezzel működik a Rádiótechnika 2003/7. számában bemutatott áramhurok-kalibrátor is - tervezett automata töltőt ismertetünk. A töltő néhány alkatrész értékének módosításával alkalmas kis kapacitású, 12 V-os zselés ólomakkumulátorok töltésére is. Bár a kapcsolás bonyolultabb a szokványos töltőkénél, a költség- és munkatöbbletet az általa elérhető eredmény kárpótolja.

Az impulzusüzemű töltés gondolata nem új: Ernst Beer holland feltaláló szabadalmaztatta 1954-ben. Az eljárás lényege az, hogy a töltés során a töltőáram és annak mintegy10%-át kitevő kisütőáram ciklikusan ismétlődik mindaddig, amíg az akkumulátor kapocsfeszültsége eléri a teljesen feltöltött állapotnak megfelelő értéket. Ezzel a töltési módszerrel jelentősen növelhetjük akkumulátorunk élettartamát. (Megjegyzem, hogy később ugyanezt a módszert leginkább a szárazelemek regenerálására javasolták; számos ezzel kapcsolatos közlemény jelent meg lapjainkban, az évkönyveinkben és az amatőrelektronikai szakirodalomban.)
A töltőnkben egy teljes periódus időtartama 100 ms. Ebből 50 ms időtartamig névlegesen 510 mA-es töltőáram folyik, a másik félperiódusban kb. 50 mA-rel terheljük az akkumulátort. Ez utóbbi félperiódusok vége felé ellenőrizzük a kapocsfeszültséget. Ha a feszültség elérte a kívánt szintet, akkor a ciklikus töltési folyamat leáll és a továbbiakban mintegy 13...15 mA-es „csepptöltés” történik mindaddig, amíg az akkumulátor csatlakoztatva van a töltőhöz.
A készülék teljes kapcsolási rajza az 1. ábrán látható. A töltőáramot az IC5, az R16 által áramgenerátorrá visszacsatolt feszültségstabilizátor biztosítja. Az IC névleges kimeneti árama:

It = 1,24/R16 = 1,24/2,4 = 0,51 A.

Az áramgenerátor csak akkor működik, ha a T2 tranzisztort telítésbe vezéreljük. Ezt a feladatot a T1, H logikai szintű jellel szintén telítésbe vezérelt tranzisztor látja el. Ha az áramgenerátor aktív, akkor a D3 LED világít.
A töltési periódusok közötti ciklikus kisütést nem áramgenerátorral, hanem a T3 tranzisztor által az akkumulátorral párhuzamosan kapcsolt R17 ellenálláson folyó árammal végezzük. A telítésbe vezérelt tranzisztoron legfeljebb 0,2 V esik, így 6 V-os akkufeszültség mellett az ellenálláson kb. 50 mA kisütőáram folyik. (A kisütőáram az akkumulátor kapocsfeszültségének növekedésekor némileg nő, de ennek nincs jelentősége.)
Az áramgenerátort, ill. a kisütőáramkört ellenütemben kell vezérelni: a feladatot a G3, G4, G6 kapuhálózat látja el.
A ciklusidőzítést a G8, C8, R10 elemekből álló 10 Hz-es, kb. 50%-os kitöltési tényezőjű négyszöggenerátor végzi, amely csak akkor működhet, ha a Q jel szintje H. A G6 is csak ekkor engedélyezett. Ha Q = L, akkor mind a G3, mind a G4 kimenete L szintű, így sem a névleges töltő-, sem a kisütőáram nem folyhat. (Ez a töltő alapállapota. Ilyenkor csak a D1 világít, jelezve a bekapcsolt állapotot.)
A rendszer vezérlésére a G1-en és a G5-ön alapuló bistabil multivibrátor szolgál, amely bekapcsolás után automatikusan úgy áll be, hogy a Q kimenet L szintű legyen. A -Q ekkor természetesen H szinten van, így mind a T4, mind a T5 telítésbe vezérlődik. Ha a kimenetre akkumulátor csatlakozik, akkor az R17-en keresztül legfeljebb 12 mA csepptöltő áram folyik. A bistabilt az N1 Start nyomógombbal lehet bebillenteni, miután az Akku kimenetre nem teljesen feltöltött akkumulátort csatlakoztattunk. Ekkor a csepptöltőkör inaktívvá válik és elindul a bevezetőben vázolt ciklikus töltési/kisütési folyamat, közben a D3 szaporán villog.
Mindazon időpillanatokban, amikor a G4 kimenete H-ra vált, az R6,C6 integráló (késleltető) tagon keresztül érkező impulzusok engedélyezik a G6 kaput is. Az integráló tag késleltetése kb. 35 ms, így a kapu a kisütési időtartamnak a 70%-ánál nyit. Amennyiben ekkor a 9. lábán is H szint van jelen, a D2 diódán keresztül visszabillenti a bistabilt és a töltési folyamat megáll, ekkor ismét aktiválódik a csepptöltőkör.
Nyitott kimeneti kapcsoknál a bistabil mindenképpen alaphelyzetbe áll be, ui. ha netán a tápfeszültség megjelenésekor bebillenne, akkor az első kisütési félpriódusban a +Akku kimeneten közel a nyers tápfeszültség jelenik meg, aminek hatására a komparátor a mintavételi késleltetés leteltével a G6-on és a D2-n keresztül visszabillenti a flipflopot.
Az akkumulátor mindenkori kapocsfeszültségét az IC4 és passzív hálózata érzékeli. A TL431 típusú söntstabilizátor itt mint feszültségkomparátor üzemel. A billenési szintje a P trimmerrel kb. 6,3...7 V között állítható be. (A különböző gyártmányú zselés ólomakkumulátorokra némileg eltérő töltési végfeszültséget adnak meg. Például az általam használt FM632A típust 6,65 V-ra lehet feltölteni, de vannak olyan gyártmányok, amelyek végfeszültsége 6,8 V.) A G7 szerepe a komparátor L-be billenő kimenőszintjének az invertálása. A feszültségkomparátor működését és az osztó elemeinek kiszámítását a Hobby Elektronika 2003/5. számában részleteztük.
A töltési folyamat az N2 megnyomásával - vagy az akkumulátor lecsatlakoztatásával - bármikor megszakítható; a bistabil ilyenkor alaphelyzetbe billen.
A töltőgenerátor a C1 pufferelkó nyers tápfeszültségéről működik, míg a logikai hálózat +6 V-os tápfeszültségét az IC1 stabilizálja.
A mintapéldányba egy DPM-200 típusú digitális panelvoltmérőt is beépítettem, ami folyamatosan mutatja az akkumulátor kapocsfeszültségét. (Illetve akkumulátor csatlakoztatása hiányában a töltőkapcsokon mérhető üresjárati feszültséget. Ez a csepptöltőkör és a két feszültségosztóból álló összetett osztó által némileg csökkentett nyers bemeneti feszültséggel egyenlő.) A DPM-et +/-19,99 V-os méréstartományra kell beállítani. Erre szolgál az R18 - R19, kb. 1:100 feszültségosztó. (A kalibrálás a panelvoltmérő trimmerével lehetséges. A 2. tizedespontot is aktiválni kell, a megfelelő forrfelülelek óncseppel való rövidrezárásával.) A DPM is a stabilizált +6 V-ról „táplálkozik”. A csatlakoztatásához szükséges három forrpont (MA = feszültségbemenet, MB = +6 V, MC = GND) is megtalálható a nyákon. A viszonylag költséges panelvoltmérő beépítése nem kötelező. Ha elhagyjuk, akkor természetesen az R18, R19, Jp1 és a C9 alkatrészt sem kell beforrasztani.
Még egy megjegyzés a DPM-200 modullal kapcsolatban: a korábbi változat tápfeszültségként nem +5 (+6) V-ot, hanem független 9 V-os egyenfeszültséget igényel. Erre a célra a hálózati trafóra fel kell tekercselni egy független 9 V-os szekundertekercset, amelynek a feszültségét egyoldalasan (azaz egyetlen diódával) egyenirányítjuk, egy 100 uF-os elkóval szűrjük és egy ellenálláson át „táplált” ZPD9,1 típusú Z-diódával stabilizáljuk. A Z-diódán fellépő feszültségét vezetjük a műszer táppontjaira.
A DPM-táp negatív pontja és a töltő vonatkoztatási pontja csak a DPM invertáló bemeneténél lehet közösítve! (A panelműszernek ez az eredeti állapota.)
Megépítés, élesztés

Az áramkör - a hálózati transzformátor és a primeroldali alkatrészek kivételével - egyetlen, egyoldalon fóliázott, 68 x 70 mm-es nyákra épül fel (339. oldal). Az alkatrészek a 2. ábra szerint helyezkednek el. Mindenekelőtt a két huzaláthidalást kell beültetni vékony, szigetelt huzalból. Ez után következik az M0 és az M1 mérőpont (érintkezőtüskék vagy hajlított hurkú merev huzaldarabok), majd a hálózati táprész alkatrészeinek a beforrasztása. Az egyenirányító híd bármilyen, a megadottal azonos lábkiosztású, 1 A-es típus lehet.
A puffer egy átmérő13 x 26 mm-es, 2200 uF/25 V-os álló elkó. Ha ilyennel nem rendelkezünk, akkor 2 db 1000 uF/25 V-os álló elkót is beültethetünk a panelbe. A második elkót C1a pozíciószámmal, szaggatottan jelöltük a beültetési rajzon. Egyszerűsödik a további bemérés és az esetleges hibakeresés, ha a CMOS IC-k számára 1-1 foglalatot forrasztunk be.
Transzformátornak olyan biztonsági trafót kell választani, hogy a C1 pufferre kapcsolt R1, D1 tag és az IC1 üresjárati terhelése mellett a pufferen (az M1 mérőponton) +13...15 V legyen mérhető. 13 V-nál alacsonyabb feszültség nem elegendő a töltőgenerátor működéséhez, a 15 V-nál magasabb pedig felesleges többletdisszipációt okoz. A mintakészülékben egy, a HAM-bazárban régebben árusított 17 VA-es, osztottkamrás hálózati transzformátor üzemel, amelynek a szekunderéből lefejtettem annyit, hogy az üresjárási feszültsége 11,5 V AC legyen. A stabilizált +6 V-ot is ellenőrizzük! (A feszültségméréseket kényelmesen, az M0-hoz képest végezhetjük el.)
A következő lépésben a töltőgenerátor alkatrészeit (T1, T2, IC5, D3, R12...14, R16) ültessük be! Bár a T2 nem melegszik túlságosan, hiszen a disszipációja kb. 150 mW, a mintakészülékben kis hűtőlemezt tettünk alá. Az R16 két párhuzamos tagból is összeállítható; a nyák erre lehetőséget nyújt. A második ellenállás a beültetési rajzon szaggatottan, R16a néven szerepel.
A mintakészülékben 2 db, 4,8 ohm-ra válogatott, névlegesen 4,7 ohm/2 W-os ellenállás található e két pozícióban. Az ellenállásokat a szabadabb hősugárzás érdekében állítva szereltem. Állított szereléssel két, soros tagból (pl. 2 db 1,2 ohm-os ellenállásból) is összehozható a szükséges érték, ha a két ellenállás rövidre vágott fölső kivezetését vízszintesbe hajlítjuk és összeforrasszuk egymással.
Az IC5-re ideiglenesen szereljünk hűtőlemezt! Az akkumulátor-kimenetekre egy 12 ohm/10 W-os ellenállással sorba kapcsolt ampermérőt csatlakoztatunk. Az áramkör hálózatra kapcsolása után a műszer nem jelezhet áramot. Ha az R12 szabad végét +6 V-ra kötjük, akkor megjelenik a mintegy 500 mA töltőáram, miközben a D3 világít. Ha mód van rá, akkor oszcilloszkóppal ellenőrizzük, hogy a műterhelésen kb. 0,1 s-mal az áramgenerátor aktiválása után nem jelenik-e meg 100 Hz-es brumm! Ha igen, akkor a trafó szekunder feszültsége túlságosan alacsony.
A csepptöltőkör ellenőrzése: az R20 most szabad kivezetését (A CMOS IC-k még nincsenek dugaszolva vagy beforrasztva) a +6 V-ra ideiglenesen rákötve az előbbi műterhelésen kb. 17...20 mA kell, hogy folyjon.
A kisütőkört is tesztelhetjük: a kimenetre egy mA-mérőn keresztül 6 V-ra beállított tápegységet vagy magát az akkumulátort csatlakoztatva, az R11 egyelőre szabad végét a stabilizált +6 V-ra kötve kb. 50 mA kisütőáramot kell mérnünk.
Kikapcsolás után ültessük be a még hiányzó alkatrészeket! Ha digitális panelvoltmérőt is beépítünk, akkor az R18, R19, C9, Jp1 elemet is forrasszuk be! A panelvoltmérőt ideiglenesen bekötjük, majd eltávolítva a Jp1 rövidzárját, az R18 szabadon maradt kivezetésére egy labortáp hitelesnek elfogadott digitális voltmérővel pl. +19,95 V-ra állított feszültségét kapcsoljuk. A DPM trimmerével szabályozzuk be a +19.95 kijelzést!
Gondosan átvizsgált panel és bemért alkatrészek esetén a továbbiakban csak a komparátor billenési küszöbszintjét kell a kívánt értékűre beállítani. Ez utóbbihoz eltávolítjuk a Jp2-t, majd az R8 szabadon maradt kivezetésére a kívánt billenési feszültségre - pl. 6,8 V-ra -beállított labortápot, az IC3 11. lábára logikai szintceruzát vagy oszcilloszkópot csatlakoztatunk. A trimmert úgy állítjuk be, hogy a G7 kimenete éppen átbillenjen. A jumper visszahelyezése újbóli bekapcsolás után a flipflop alaphelyzetbe áll. Csak akkor indulhat automatikusan a töltés, ha a bekapcsoláskor kimenetre akár a 12 -os ellenállás, akár az akkumulátor már csatlakozik. (Megjegyzem, hogy a két jumper helyett egyetlen közös, mindkét feszültségosztót a kimenetről leválasztó áthidalást is alkalmazhattam volna. A két külön jumper viszont egyszerűbb nyákrajzolatot eredményezett.)
A kész panel nyákoldalát fújjuk le színtelen Akrilannal! A szerelt, bemért nyákot, a hálózati transzformátort, a DPM-et és a többi szelvényt egy fém- vagy műanyag dobozba építsük be ügyelve arra, hogy a primeroldal szerelése megfeleljen a II. érintésvédelmi osztályú készülékekre előírtaknak!
A mintapéldány egy régi Puskás-Weller pákatrafó dobozában kapott helyet. (A pákatrafó eredeti szerelése jó példával szolgál az érintésvédelmi szabályok betartására.) A biztósítófoglalatot áthelyeztem a hátoldalra és hálózati billenőkapcsoló is itt kapott helyet. Az eredeti előlapot egy 0,5 mm-es kemény alumíniumlemezből készült díszelőlap takarja, amelyet 4 db. M2-es csavarral erősítettem fel. A DPM-et az eredeti előlaphoz csavaroztam M2-es sf csavarokkal, távtartók közbeiktatásával. A kijelző a téglalap alakú előlapi/díszelőlapi nyíláson át látható. A hálózati kábel az eredeti, a kb. 300 mm hosszúságú, 5,5 mm-es függő tápcsatlakozóval szerelt kimeneti kábelt pedig az előlapon vezettem ki, törésgátlón keresztül. Mindkét kábelt kihúzódás ellen is biztosítottam.
A panelt a doboz aljához csavaroztam, 3 db távtartón keresztül. A LED-ek számára 3, a nyomógombok tengelyvonalában 6 furatokat készítettem. Ez utóbbiakba régi, nikkelezett banánhüvelyek kerültek. A nyomólemek 4 műanyagpálcák, amelyeknek 5-ös feje van, megelőzvén a gombok kiesését. A kész díszelőlapot zománcfestékkel lefújtam, feliratoztam.
Az IC5 komoly hűtést igényel. A prototípusnál a hőt a 2 mm vastagságú alumíniumlemezből hajlított doboz hátlapja sugározza el. Az IC hűtőzászlója és a hátlap belső felülete közötti távolságot egy 15 x 15 x 25 mm-es alumíniumhasábbal, mint hőhíddal hidaltam át. A hasábot mind a dobozhoz, mind az IC-hez egy-egy M3-as csavar rögzíti, a hasábba készített M3-as átmenő menetes furat segítségével. Az IC-t elektromosan el kell szigetelni a hasábtól! A jó hőátadás érdekében a szigetelőlemez mindkét oldalát, ill a hasábnak a dobozzal érintkező oldalát is kenjük be szilikonzsírral!
A töltő felépítése a 3. ábra fotóján megfigyelhető.

Módosítások 12 V-os akkumulátorhoz

Először is olyan 15...20 VA-es hálózati transzformátort válasszunk (vagy tekercseljünk), amely 19...21 V DC-t eredményez a C1 pufferelkón. A töltőáramot - lévén a töltés 50% kitöltési tényezőjű impulzusokkal történik - az akkumulátor névleges kapacitása számértékének 20%-ára válaszszuk! Ehhez az R16-ot a cikk 1. részében közölt képlettel számítjuk. Erre a helyre csak túlméretezett névleges teljesítményű fémréteg-ellenállás alkalmas! (Az ellenálláson elvileg disszipálódó teljesítmény: PR16 = 0,385 R16.) Ha a töltőáram nagyobb, mint a prototípusé, akkor a pufferelkót arányosan növeljük, valamint az IC5-öt lássuk el megfelelő hűtőbordával! A T2-t feltétlenül szereljük fel hűtőzászlóval! A kisütőkör T4 tranzisztora is nagyobb teljesítményű típusra, pl. 2N2222-re cserélendő. Az R22-n 12 V-os feszültséget feltételezve a névleges töltőáram 10%-a folyjon, így R22 = 1,2/It.
A további módosítandó alkatrészértékek: R1 = 1,5 kohm, R2 = 560 ohm, R8 = 20 kohm, R9 = 5,1 kohm, P = 2,2 kohm, R17 = 1,5 kohm.
Bármilyen névleges kapocsfeszültségű akkuhoz készítjük is el a töltőt, annak helyes használata a következő: bekapcsoljuk, majd csatlakoztatjuk az akkumulátort és csak utána indítjuk el a töltést. Ha a töltési folyamat befejeződött, akkor először lecsatlakoztatjuk az akkut és csak ez után kapcsoljuk ki a készüléket.