Автор: stasisirbis
1. История вопроса
Любому автомобилисту известна ситуация, когда требуется подзарядка «курам насмерть» севшей автомобильной аккумуляторной кислотной батареи (АКБ), к примеру, на даче, а зарядное устройство (ЗУ) находится совсем в другом месте. И сосед Колька, как назло, отсутствует... Столкнувшись в очередной раз с этой ситуацией, я решил, что надо иметь резервный зарядник на даче.
...Всякого барахла у меня много и самым простым решением виделось взять трансформатор ТС180 и, не мудрствуя, соорудить регулируемый или стабилизированный блок зарядки. Благо, схемотехнических решений навалом, опыт и детали имеются.
В закромах, кроме чудовищных размеров и веса ТС180, обнаружился блок питания (БП) от компьютера. «Люди делают из них ЗУ, - вспомнил я, - А чем я хуже? Люди делают, значит и Коты могут! Ну и что ж, что инж.-мех. по двиг. летат. аппаратов?!».
И решил я, что это будет лёгкое, возимое/носимое ЗУ для распространённой АКБ ёмкостью 65 А•ч с ограничением зарядного тока на уровне 6,5 А и ограничением максимального напряжения зарядки на уровне (15±0,1) В для защиты от перезаряда.
Почему выбрано ограничение напряжения зарядки на уровне 15 В? Это именно то значение ЭДС АКБ, при котором наступает окончание процесса формования активной массы пластин, так называемая «площадка по напряжению», которая, наряду с показателем плотности электролита, является одним из критериев полной заряженности АКБ. При этом начинается кипение электролита и, если не принять мер к снижению значения тока зарядки до (0,01-0,02)С, где С - значение ёмкости АКБ, то, вследствие осыпания активной массы и разогрева АКБ, срок службы АКБ существенно снижается.
...Наклейка на корпусе БП «Codegen ATX300 модель 2.03(Р4)» обещает ток до 13 А по каналу «+12 В» и при суммарной мощности всех каналов до 300 В•А. То, что надо!
Дело казалось ерундовым. Даже притом, что я имел весьма общие представления о принципах ШИМ-преобразования, устройстве и схемотехнике БП для компьютеров:«Щас найду в инете схему этого БП, при ней рисунок платы и расположение элементов с номерами!» ....
Короткий экскурс по просторам инета мой энтузиазм несколько остудил - не то, что «рисунок платы и расположение элементов », но и точную схему найти не удалось. После долгих и утомительных изысканий нашлась схема АТХ 200(?) DTK PTP-2038, весьма близкая к тому, что я видел на плате БП.
Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная БП
...Как я теперь понимаю, решение казалось лёгким потому, что статьи на тему переделки БП писались разными весьма уважаемыми Большими Котами, многие вещи для которых считались очевидными, само собой разумеющимися и не стоящими упоминания.
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ: Перелопачивание огромного массива информации по компьютерным БП и вариантам их переделок имеет большое значение, т.к. кроме подбора схемы, весьма способствует разучиванию новых слов и терминов и попутно помогает разобраться с основными принципами ШИМ-преобразования и схемотехникой. В особенности, с описанием и работой управляющей микросхемы. Особо полезно почитать про взаимодействие компараторов управляющей микросхемы при комбинированной защите БП.
Однако, не предлагаю повторять мой тернистый путь и в конце статьи привожу ссылки на самые толковые источники. (Для самых ленивых и бестолковых, вроде меня!).
2. Включаем паяльник
Я пошутил! Сначала надо удостовериться, что в вашей радиолаборатории есть всё необходимое. Паяльник есть и это не обсуждается. Желательно также иметь представление о том, чем отличается «ом» от «ком»...
Что понадобилось мне:
- Китайский мультиметр;
- Прибор Ц4353 (стрелочный авометр) ещё с советских времён. Имеет вполне приличные параметры;
- Амперметр постоянного тока до 10 А или низкоомный стандартный измерительный шунт (на крайняк низкоомный резистор с 1 % допуском и соответствующей мощности);
- Что-нибудь слесарно-сверлильно-пилильное для доработки корпуса БП;
- Терпеливая жена. Это обязательное условие успеха! (У кого жены нет, считаем, что ему повезло!).
3. Разборка блока
Никаких трудностей тут нет. Советую сразу демонтировать трёхштырьковое гнездо коннектора для подсоединения сетевого кабеля - его корпус сильно мешает манипуляциям по многократному извлечению платы из блока. Вместо сетевого кабеля, (на время переделки), имеет смысл применить сетевой шнур с проходным выключателем. Это позволяет оперативно отключать схему от сети «во избежание»... В этом же месте полезно подпаять к плате на линию дежурного питания светодиод с соответствующим токоограничивающим резистором - всегда можно видеть, что схема подключена к сети и не цапать лапами 220, а то и 310 В! (Потом этот светодиод можно будет перенести на лицевую панель.)
Итак, извлекаем плату и кладём на хирургический стол, предварительно убедившись, что под ней не осталось пинцета, скальпеля, зажима или чего-то ещё электропроводного.
...Из платы выходит «туева хуча» проводов чёрного, красного, жёлтого и других расцветок. Традиционно: чёрный - земля (общий минус); жёлтый - канал «+12 В»; красный - канал «+5 В»; оранжевый - «+3,3 В»...
Аккуратно выпаиваем лишние проводники, оставим только по три провода жёлтого и чёрного цвета и один красного цвета.
Есть ещё проводки разных цветов. Находим среди них зелёный. Остальные удаляем.
Зелёный нужен для запуска блока! Его замыкание через тумблер «ВКЛ» на «землю» формирует сигнал «PS on» и блок запускается.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Не пытайтесь запустить блок при неприсоединённом сетевом шнуре - ничего не получится!
Кстати, надо заметить, что плата БП оказалась весьма устойчива к нештатным воздействиям типа полёта со стола на пол или испытанием КЗ во входных цепях 220 В с дуговыми разрядами и выгоранием дорожек фольги. Я пробовал! Но повторять это не советую.
Итак, подключили, замыкаем зелёный - на «землю»... светодиод горит, вентилятор крутится. Тут полезно померить все выходные напряжения и убедиться в правильности написанного выше. Или удивиться несоответствию...
4. Определение состава основных деталей и «расшифровка» платы
Мои поиски увенчались схемой БП ATX200 DTK PTP2038. По составу элементов и обвязки управляющей микросхемы она очень близка к натуре, хотя никак не соответствует наклейке на корпусе моего «Codegen». Знающие Большие Коты говорят, что с китайскими БП такое бывает....
Если верить схеме, приведённой на рисунке 1, то в составе моего БП имеется TL494 (IC1), LM393 (IC2), TL431 (ZIC1), 78L05 (IC3):
- «Сердцем» БП является управляющая микросхема TL494 (в моём случае стоит TL7500 - это полный аналог 494);
- LM393 обеспечивает контроль сигнала «напряжение в норме» и в нашей переделке никак не участвует. Забываем...;
- TL431 формирует напряжение «+3,3 В» - это нам тоже «по барабану»;
- 78L05 - вульгарный стабилизатор напряжения (кстати, я его на плате не обнаружил).
Основным критерием соответствия схемы и натуры, ИМХО, является устройство цепи обратной связи по напряжению на ногу 1 управляющей микросхемы, ибо как раз с этими цепями и предстоит «работать». Это R25 и R26, образующие делитель с R20-R21.
Лазание коготком по плате с лупой - удовольствие не самое приятное, но неизбежное.
Одним словом - терпение! Нет, ещё одним - интуиция! И ещё - везение! (Про терпеливую жену я уже говорил... Возьму-ка я её в соавторы! Век валерьянки не видать!).
5. «Умощнение» канала «+12В»
...Корявое слово «умощнение» в данном случае заменяет целый ряд слов и понятий, обозначающих ряд мер по увеличению нагрузочной способности ЗУ по мощности. Не будем углубляться в лингвистический и семантический анализ структурных единиц русского языка, а примем этот термин, как общеупотребительный в среде передельщиков БП в ЗУ, в БП для усилителя и даже в сварочные инверторы....
Для «умощнения» БП, некоторые авторы советуют:
- Провести радикальную замену выпрямительных диодов по каналу «+12 В»;
- Переставить местами дроссели каналов «+12 В» и «+5 В»;
- Заменить электролитические конденсаторы на более высоковольтные;
- И, о ужас!, перемотать выходной трансформатор.
Памятуя о некотором запасе по выходному току, упражняться с заменой диодов я не стал.
Дроссели L1 и L2 поменял местами - дроссель канала «+5 В» намотан более толстым проводом – обозначено красной стрелкой в правом верхнем углу рисунка 1.
Так же и оксидные конденсаторы на выходе «+12 В» (C30) и в цепи питания TL494 (C21) заменил на более высоковольтные: 25 В вместо 16 В. Других конденсаторов, попадающих под перенапряжение я не нашёл.
6. Стабилизация напряжения
Концепция переделки БП в ЗУ представлена на рисунке 2:
Рисунок 2 - Упрощённая схема переделок БП
В моём случае имеются две цепи ООС по напряжению - по каналу «+12 В» и по «+5 В» (R25 и R26 соответственно, по принципиальной схеме рис.1).
Выдираем оба резистора и на место R25 на отдельных проводах подпаиваем переменный резистор с верхним пределом до (50-100) кОм. Выставляем значение резистора близкое к номиналу R25 (в моём случае это оказалось 36 кОм), подключаем вольтметр на канал «+12 В» и включаем блок. Если значение резистора далеко от оптимального, блок может «уйти в защиту»... Не пугаемся и повторяем попытки.
В моём случае схема оказалась слишком чувствительной к скорости перемещения движка переменного резистора и помучила меня изрядно. По совету Великого FOLKSDOICHа были выдраны диоды D9 и D27 (см. рисунок 1, справа от IC1 (TL494) по входам контроля «+5 В»). В результате реакция схемы на движение ползунка переменного резистора стала вполне адекватной.
При плавном увеличении сопротивления, напряжение на выходе «+12 В» должно расти и по достижении порога защиты (у меня оно составило 18 В), блок должен отключиться. И это правильно! Нам надо +15 В и не больше. Заменяем переменник подстроечным резистором и возможно более точно (±0,1 В) выставляем необходимые 15 В. (В этом месте посоветую применить многооборотный резистор, дабы не мучаться с подгонками и не применять китайский мультиметр).
Всё! Со стабилизацией выходного напряжения покончено.
7. Стабилизация (ограничение) выходного тока
...Совершенно очевидно, что для управления каким-либо параметром, этот самый параметр надо измерять и соответствующим образом корректировать (когтем или автоматом).
В нашем случае датчиком тока служит низкоомный шунт милли- или микроамперметра (0,05-0,1) Ом, включённый в минусовый вывод ЗУ (см. упрощённую схему на рисунке 2). Чем более чувствительная головка токоизмерителя используется, тем меньше номинал шунта - датчика тока, тем меньше выходное сопротивление ЗУ и тем меньше потери по току.
У меня не нашлось ничего более достойного, чем миллиамперметр индикатора выходной мощности магнитофона с током полного отклонения 500 мкА и внутренним сопротивлением 1 кОм. Это означает, что для полной шкалы амперметра 10 А, номинал шунта должен составлять 0,05 Ом. При токе 6 А падение напряжения на шунте составит около 0,3 В. Это и есть контролируемый параметр. В действительности полезно увеличить сопротивление шунта примерно на (10-15) %, чтобы с помощью подстроечного резистора R5 (рис. 2) в цепи миллиамперметра слегка корректировать положение стрелки прибора на шкале.
Несколько слов про конструкцию датчика тока. Я использовал высокоомный провод от спирали электроплитки диаметром 0,4 мм. Пять отрезков данного провода длиной около 4,5 см каждый, включенные параллельно, дали необходимое значение сопротивления шунта. Пайка нихрома или константана - это отдельная песня! И пайку лучше не применять. Я решил задачку с помощью клеммной колодки: на «входные» клеммы поставил отрезки медной проволоки диаметром около 1,5 мм, а в «выходные» закрепил концы отрезков нихрома. Такое решение позволяет легко и быстро менять номинал токового датчика и монтировать его любым способом - хоть пайкой медных выводов, хоть их вдавливанием в термопластик, как у меня:
Рисунок 3 - Датчик тока и реле
...Простые, на первый взгляд, схемы организации ООС по току на управляющую микросхему с применением усилителя постоянного тока (УПТ) на одном-двух транзисторах в моих корявых лапах к успеху не привели. Как-то всё в настройке оказалось капризно....
Полезное чтение про управляющие компараторы в составе микросхемы TL494 и про их взаимодействие при комбинированной защите БП, вдохновили меня на использование не задействованного компаратора для управления током. (Это решение известно не только Котам, но и Людям, и часто применяется). Оно же оказалось самым простым в реализации и настройке!
В составе TL494 два управляющих компаратора. Условно назову их по номерам входных ножек: компаратор «1-2» и компаратор «15-16».
В моём счастливом случае компаратор «15-16» оказался не задействован. И я его... того... задействовал! Для этого понадобилось всего лишь аккуратно перерезать фольгу между выводами 15 и 14, 13 и между «землёй» и выводом 16 микросхемы TL494 (обозначено красными крестиками на рисунке 1). Дальнейшее вполне понятно из схемы, приведённой на рисунке 2: вход 15 получает часть опорного напряжения Uref. А вход 16 отслеживает падение напряжения на токовом датчике (шунт амперметра). При увеличении тока на выходе ЗУ сверх заданных 6 А, компаратор «15-16» вмешивается в работу компаратора «1-2» (стабилизация напряжения) и напряжение на выходе блока снижается до уровня, при котором опять достигается баланс схемы при выходном токе 6 А.
Теперь можно нагрузить БП автомобильной лампочкой 12 В, 50 Вт (на всякий случай снижаю значение стабилизации тока до (3-4) А) и посмотреть как оно всё «проистекает»... У меня блок отчаянно заверещал! Как сверчок! При этом никаких эффектов типа нагрева или сверкания я не заметил.
По совету того же FOLKSDOICHа, дополнительная цепочка C1, R2 (см. рисунок 2) с номиналами С1=0,01 мкФ и R2=6,8 кОм, подключенная между выводами 3 и 15 микросхемы IC1 (TL494) сверчка убила! Жалко сверчка... К мышам не знаю жалости, а сверчка жалко... Как-то вот так...
8. Развязка схемы от АКБ
Не расслабляемся! При подключении АКБ наше ЗУ отказывается запускаться! Не может оно стартовать, если на выходных клеммах присутствует напряжение АКБ... Или надо сначала стартовать, а потом уже «втыкать» АКБ??!! Или порушить цепи защиты...
Простое решение - ставить на выход ЗУ развязывающий диод катодом на выход, не есть «айс», т.к., даже, с применением диода Шоттки потеря мощности на нём составляет (1,5-2) Вт!, да ещё и с нагревом (Я пробовал! И радиатор «мостил» на диод...)
В конечном итоге было применено развязывающее автомобильное реле типа 113.374 с нормально разомкнутыми контактами от «нашемарок» ВАЗ, «Москвич» с напряжением срабатывания 6,5 В и током 40 мА(!) - см. рисунок 3. Реле запитано от канала «+5 В» (рисунок 2, реле Р1). При напряжении 15 В в канале «+12 В», в канале «+5 В» при запуске ЗУ напряжение равно как раз 6,5 В, а в импульсе может быть и чуть больше. Задачка решена.
Есть ещё одна «засада» - вероятность переполюсовки при подключении АКБ (С утра в понедельник... после удачной охоты на мышей в воскресенье...). Этот опыт я проделал случайно и успешно! БП отчаянно заверещал, от токового шунта пошёл дым!!! Слава Случаю! (который «бог изобретатель» по А.С. Пушкину), подсоединение было «на соплях» и... короче, успел разорвать. В такой ситуации первыми обычно сгорают выпрямительные диоды по выходу. Однако, (ещё раз Слава Случаю!), этого не произошло. Это странно, а с другой стороны, должно же когда и «повезти»?!...
...Очевидно, нужна защита «от дурака». Здесь я так же применил слаботочное реле для блокировки включения развязывающего реле при переполюсовке. (см. рисунок 2, реле Р2). При наличии отрицательного напряжения АКБ на выходе ЗУ (переполюсовка), срабатывает реле Р2 и своими нормально замкнутыми контактами 1Р2 разрывает цепь питания развязывающего реле Р1.
Матёрые Коты в этом месте могут насоветовать что-то более элегантное и электронное - возможности управляющей микросхемы и цепей защиты наверняка позволяют это сделать. Однако, это не для моего интеллекта. К тому же предпочитаю понятную кондовую «савецкую» надёжность.
Релюхи, шунт и добавочный резистор амперметра размещены на пластиковой планке привинченной к плате БП. (рисунок 3).
Кажется всё! Макет работает. Пару тройку раз заряжаю-разряжаю АКБ, корректирую выходной ток с контролем по измерительному шунту, смотрю «как оно и что» и приступаю к самому сложному - укладке в корпус. Кто делал - меня поймёт!
9. Монтаж в корпус
Перво-наперво надо исключить гальваническую связь корпуса ЗУ с «землёй» платы БП (она же «-15 В») - случайное касание плюсового вывода на корпус будет означать КЗ. Оно нам надо? Даже если мы не порушили штатную защиту схемы...
Аккуратно перерезаем дорожки платы идущие по отверстиям крепления и восстанавливаем порушенные связи перемычками в обход отверстий крепления. Кроме этого или вместо этого, полезно подложить изолирующие шайбы, как это показано на рисунке 4:
Рисунок 4 - Вид печатной платы со стороны печатных проводников
Всё остальное - сверление, вырезание, выгрызание окон и отверстий особенностей не имеет. Дабы не морочиться с точной обработкой довольно жёсткой стали корпуса БП, отверстия в нём я вырубил довольно грубо, а все красивости и точности «догнал» на пластиковой накладке на переднюю панель. Ещё бы надписи нацарапать...
Рисунок 5 - Лицевая панель
Входной коннектор с платкой сетевого фильтра я ликвидировал. Никакого влияния на работу электрочайника, СВЧ печки, УКВ приёмника и пружинной мышеловки я не заметил. И это хорошо!
10. Испытания и показатели
При подключении основательно разряженной АКБ, ЭДС которой составляет около (10-11) В, выходной ток равен 6 А, а напряжение ЗУ «заваливается» до (11-11,5) В - работает компаратор «15-16».
В процессе заряда аккумулятора примерно в течение 5-6 часов, ЭДС АКБ растёт, как и положено.
Соответственно растёт напряжение на выходе ЗУ и по достижении напряжения ограничения (15 В), компаратор «1-2» включается в работу, а ЗУ выходит из режима стабилизации тока - ток начинает снижаться. К этому моменту АКБ набирает примерно 50 % номинальной ёмкости.
Дальнейший заряд АКБ идёт в режиме снижения тока зарядки по мере роста ЭДС АКБ вплоть до 15 В. По истечении (5-6) ч при ЭДС АКБ 15 В наступает так называемая «площадка по напряжению» при слабом кипении электролита (особенность электрохимической системы свинцово-кислотных аккумуляторов). Слабое кипение способствует перемешиванию электролита и выравниванию его плотности в объёме.
При этом исключён перезаряд АКБ с разогревом, с выкрашиванием активной массы пластин и сокращением срока службы АКБ. Можно забыть выключить и идти спать!
Ни на одной стадии заряда не отмечено значимого нагрева элементов схемы.
Рисунок 6 - Собранное ЗУ
11. Недостатки
Время набора (85-90) % ёмкости АКБ составляет 12-13 часов. Это медленно, но это плата за долговечность АКБ! Для применения режима ускоренного заряда надо «задрать» напряжение до максимальных 17-18 вольт и, соответствующей регулировкой ОС по току, поднять зарядный ток до предельного для выпрямительных диодов. (Кислотные АКБ в начале зарядки спокойно «кушают» зарядные токи до (0,2-0,3)С, т.е. до 20 А!). Однако всё это требует глубокой модернизации БП - «умощнение» выпрямительных диодов, применение теплоотводов, перемотка трансформатора, применение УПТ для амперметра. При всём этом необходимо устроить автоматическое отключение АКБ при достижении ЭДС уровня 15 В. Иначе - кранты!
12. Благодарности
Я, безусловно, не смог бы реализовать этот проект без поддержки и помощи нашего сайта.
Особенно хочется отметить атмосферу снисходительного тепла и доверительности в общении на форуме. Полагаю, что основная заслуга в этом принадлежит Большим Котам ИРБИСу и Irbisу. За что им отдельная благодарность и пузырёк валерьянки пожизненно!
...Отступление...лирическое..: вспоминаю недавний опыт с реанимацией телевизора «Elenberg», подобранного на помойке. На сайте «Телемастер», куда я сунулся с расспросами, надо мной грубо надругались в извращённой форме... И наслушался я там слов типа «куда конь с копытом, туда и рак с клешнёй», «не знаешь тайгу, не ходи», ...и «ваще мы тут профи, свой базар перетираем, а ты тут, пудель чесоточный, шкурой трясёшь!» С тем и ушёл от них...
Кстати, вспоминаю ещё, что тут, на форуме нарисовался чудак вознамерившийся спаять некий непростой девайс (не помню какой). Так вот он задал вопрос: «А чем отличается «ом» от «ком» в маркировке резистора?».... Я прихудел и стал с интересом ждать реакции Больших Котов. Был немало изумлён терпеливыми разъяснениями!... Но, это хорошо! Это греет!
Также хорошо и конкретно мне помог FOLKSDOICH. И ему валерьянки!
Всех, кто поучаствовал, считаю соавторами этой смелой публикации и прошу её (публикацию) конструктивно критиковать и дополнять.
Ни в коем случае не претендую на новизну или оригинальность - всё «содрано» из инета. Ну, разве что конструкция токового датчика и схемы предпусковой развязки ЗУ от АКБ и защиты от переполюсовки подключения АКБ мне нигде не встречались.
Многоглаголание, допущенное мной при описании, в общем-то, простых вещей простительно, потому, что писал я для «чайников» вроде меня и для «того парня», который спрашивал про «ом» и «ком».
13. Ссылки
1. А.В. Головков, В.Б. Любицкий «Блоки питания для системных модулей IBM PC/XT-AT» - Изд. «ЛАД и Н», Москва, 1995 г. - Хорошая книжка с описанием типовых схем и их работы. Приведены параметры и маркировки большого количества компонентов БП, что очень помогает в расшифровке плат и подбору аналогов для замены или «умощнения»;
2. Сайт «ПАЯЛЬНИК» - «море» ссылок по различным вариантам реконструкции БП для различных целей. Очень советую «поплавать» там и посмотреть, что Люди делают.
Обсуждение статьи на форуме
Copyright © Лаборатория Ирбиcов - Мягкой поступью к вершинам знаний и мастерства Все права защищены.
