Przeróbka zasilacza LRS-200-12 na ładowarkę z prawidłowym trybem ładowania

Opowiadałem już, jak przerobić zwykły zasilacz na ładowarkę, ale długo nie dawała mi spokoju myśl, że ładowanie powinno przebiegać bardziej prawidłowo. W końcu wpadłem na pomysł, żeby zrobić ładowarkę nie tylko poprawną i prostą, ale też opartą na płytce-adapterze, którą już pokazywałem.

Przypominam: żeby być na bieżąco z nowymi tematami na blogu, polecam obserwować mój Instagram. Będę tam publikować powiadomienia o nowych wpisach, a może też pisać po prostu o czymś ciekawym — link do konta

Można też subskrybować aktualizacje i nowe artykuły na kanale Telegram — https://t.me/KirichBlog

Do tej przeróbki kupiłem na OLX używany zasilacz Meanwell LRS-200-12. Jak już pisałem, w zasadzie jest to ten sam LRS-350, więc wszystko, co napiszę poniżej, dotyczy obu wersji. Myślę, że układ będzie działał także przy innych napięciach: na pewno 15 (16,8) V, a najpewniej również 27 V.

Od razu zaznaczę: jeśli potrzebna jest płytka drukowana, można o nią poprosić albo poczekać, aż dodam ją do artykułu.

Zasilacz kosztował 400 UAH, a wysyłka chyba jeszcze 70 UAH.


Do przeróbki wykonałem jedną płytkę testową. Wartości elementów zostały już nieco skorygowane, dlatego różnią się od tych na zdjęciu. Prawidłowe wartości podam na schemacie.


Układ jest bardzo prosty, podobnie jak zasada jego działania.
Ostatnio pokazałem, że na płytce znajduje się podwójny wzmacniacz operacyjny. Jeden odpowiada za sprzężenie zwrotne prądowe i tu wszystko jest jasne. Drugi ma próg zadziałania 5 razy niższy (również ustalany przez dzielnik) i wysyła sygnał, gdy prąd spadnie poniżej około 1/5 prądu ładowania.
Właśnie ten sygnał wykorzystamy.
Podczas ładowania sprzężenie zwrotne jest realizowane przez szeregowo włączoną diodę, dlatego napięcie wyjściowe będzie wynosić około tyle, ile ustawiono, plus 0,6 V.
Gdy napięcie wzrośnie do poziomu przejścia w tryb CV, a prąd spadnie do 1/5 wartości, wzmacniacz operacyjny poda sygnał otwierający mały tranzystor polowy z kanałem P. Tranzystor zewrze dodatkową diodę, a napięcie wyjściowe spadnie o 0,6 V, przez co prąd ładowania natychmiast przestanie płynąć.
Po przejściu na niższe napięcie spadnie oczywiście również napięcie na akumulatorze i może popłynąć niewielki prąd ładowania, w zasadzie kompensujący samorozładowanie. Można go nawet całkowicie wyeliminować, ale pełny cykl ładowania do wysokiego napięcia rozpocznie się dopiero wtedy, gdy prąd wzrośnie do 1/5 maksymalnego prądu ładowania.

W zasadzie ładowarka będzie działać tak jak wcześniej, ale będą dwa progi. Na przykład ładujemy do 14,2 V, żeby przyspieszyć ładowanie, a potem przechodzimy na napięcie 13,6 V.
W przypadku akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych przyspiesza to ładowanie, a później przechodzimy w tryb buforowy.
W przypadku „zwykłych” akumulatorów eliminuje to tryb buforowy, który im szkodzi. W praktyce będziemy ładować je (umownie) do 4,2 V, a następnie zmniejszać napięcie do 4 V.

Cykl rozpocznie się również wtedy, gdy zasilacz UPS (jeśli używacie go właśnie z UPS-em) przełączy się na zasilanie z akumulatora. Po powrocie zasilania sieciowego prąd ładowania od razu przekroczy wymagane minimum, ładowarka naładuje akumulator do pełna i ponownie przejdzie w tryb obniżonego napięcia.

Całość udało się rozwiązać, dodając zaledwie kilka elementów. Od razu dodałem też sygnalizację ładowania i jego zakończenia. Odpowiada za nią dwukolorowa dioda LED z dwoma wyprowadzeniami, ale można też zastosować dwie zwykłe diody połączone przeciwrównolegle.


Tak wygląda gotowa płytka. W przeciwieństwie do poprzedniej dodałem do niej potencjometr montażowy, żeby ułatwić regulację.
Płytka jest w zasadzie uniwersalna. Jeśli używamy zasilacza 12 V o mocy 200 W, montujemy jeden bocznik 2 mΩ. W przypadku zasilacza 12 V o mocy 350 W — dwa boczniki po 2 mΩ. Jeden bocznik montujemy również przy zasilaczu 24 V o mocy 250 W.


Z niedogodności: trzeba przeciąć o jedną ścieżkę więcej i pojawił się dodatkowy przewód sprzężenia zwrotnego napięciowego. Przypomnę, że te zasilacze mają zabezpieczenie na wypadek awarii obwodu sprzężenia zwrotnego. Jest ono podłączone do innego punktu na płytce, dlatego nawet w razie przerwania głównego obwodu zasilacz podniesie napięcie wyjściowe, ale potem przejdzie w tryb zabezpieczenia. W zwykłych, tanich zasilaczach taki obwód występuje rzadko i między innymi dlatego wybrałem właśnie Meanwell.


Starałem się maksymalnie uprościć montaż, choć dopiero po pierwszej próbie zauważyłem kilka problemów. Na przykład płytka koliduje z kondensatorem, a potencjometr montażowy nie daje się prawidłowo zamontować. Poprawiłem to w nowej wersji płytki, ale to raczej kosmetyczna zmiana.
Aby zamontować płytkę, należy:
1. Zdjąć obudowę — odkręcić cztery wkręty.


Mam już płytkę w nowej rewizji z 2020 roku. Pisałem, że wygodniej jest, gdy płytka pochodzi z 2018 roku lub jest starsza. Zasilacz jest używany, więc trzeba będzie jeszcze usunąć kurz.


Odkręcamy pięć śrub mocujących płytkę, dwie śruby dociskające zespoły diod (w wersji 350 W prawdopodobnie będą trzy) oraz po jednej śrubie dociskającej tranzystory i mostek diodowy.


Wyjmujemy płytkę z obudowy. Przy okazji, jeśli chcemy, możemy wylutować przełącznik napięcia wejściowego.


Wszystkie prace wykonujemy w części płytki przy wyjściowej listwie zaciskowej. Najpierw znajdujemy miejsce zaznaczone prostokątem i traktujemy je jako punkt odniesienia do kolejnych zdjęć.


Nożykiem do tapet przecinamy dwie linie i wyrywamy kawałek miedzianej ścieżki albo wykonujemy nacięcie w dowolny wygodny sposób.


Jeśli planujemy zamontować dodatkowy kondensator, wykonujemy dodatkowe nacięcia. Jak pisałem, kondensator jest wskazany, ale niekonieczny.


Następnie znajdujemy układ sprzężenia zwrotnego i krótką ścieżkę łączącą rezystor z polem miedzi po lewej. Słabo ją widać, dlatego za pierwszym razem lepiej użyć latarki. Chodzi o to, żeby ten rezystor nie był połączony z dodatnim stykiem wyjściowym zasilacza.


Wiercimy otwory zaznaczone na czerwono, o średnicy 0.8-1 mm, a obok oczyszczamy miejsca lutowania z lakieru. Otwory zaznaczone na niebiesko oczyszczamy z cyny, jeśli planujemy zamontować kondensator; jego dodatnie wyprowadzenie znajduje się po prawej stronie.
Otwory przy boczniku wiercimy bezpośrednio w pocynowanym fragmencie pola miedzi — tak jest łatwiej i nie trzeba potem niczego czyścić.
Lutujemy bocznik: dla wersji 200 W, 12 V — 2 mΩ, dla wersji 350 W, 12 V — 2 sztuki po 2 mΩ.


Te same otwory od górnej strony płytki


Do płytki lutujemy wyprowadzenia i jeden przewód. Nie powinien być zbyt długi, najlepiej zrobić go jak najkrótszym.
Wyprowadzenia można na przykład zrobić z nóżek diody typu 4007.


Płytkę wkładamy na miejsce i lutujemy.


Niestety mieści się dosłownie na styk. Później trochę ją zmodyfikowałem, ale mogą być problemy z zamontowaniem śruby mocującej — w takim przypadku lepiej w ogóle jej nie używać.


Jeśli montujemy dodatkowy kondensator, on również mieści się na styk. Niestety jest mało miejsca. Sposób jego przylutowania pokazano na zdjęciu po prawej.


W efekcie otrzymujemy coś takiego na wyjściu.


Pewnie zauważyliście styki do zworki. Służy ona do ustawienia górnego progu napięcia.
Zakładamy zworkę i ustawiamy napięcie końca ładowania — w moim przypadku 14.2 V.
Zdejmujemy zworkę, napięcie powinno spaść. To napięcie będzie w zasadzie napięciem buforowym, ale ponieważ sprawny akumulator zwykle sam nie obniża napięcia aż tak bardzo, można umownie uznać, że ładowanie zostanie całkowicie wyłączone.


Jak zwykle trochę pomyliłem się z prądem — uzyskałem pełny zakres regulacji wynoszący zaledwie 9-10 A. Przed sprawdzeniem ładowarki pod obciążeniem oczywiście odłączamy lampę zabezpieczającą i przykręcamy płytkę w obudowie. Można nawet bez pasty termoprzewodzącej, ale z podkładkami izolacyjnymi.


Musiałem dolutować równolegle do bocznika 2 mΩ jeszcze jeden o wartości 5 mΩ. W układzie zmieniłem już wartości dzielnika i potencjometru montażowego, więc nie trzeba już lutować dodatkowego bocznika, a zakres regulacji jest szerszy.


Z dodatkowym bocznikiem uzyskałem 12.5-14.3 A, a próg zadziałania sygnalizacji wyniósł 2.5-2.7 A.
Na dwóch ostatnich zdjęciach widać też, jak automatycznie zmienia się napięcie wyjściowe.


Przyjrzyjmy się działaniu płytki.
Napięcie wynosi 13.5 V, prąd jest maksymalny.
Zwiększamy napięcie na obciążeniu i uzyskujemy 14.1-14.2 V. Prąd spada, więc zadziała układ progowy: prąd spada do zera, a napięcie do dolnego progu.
Zmniejszamy napięcie na obciążeniu — prąd wynosi zero.
Zmniejszamy je jeszcze trochę, ale pozostaje powyżej progu: prąd przekracza 2.7 A, zadziała układ progowy i zasilacz zaczyna dostarczać pełny prąd ładowania.


Podczas ładowania dioda LED świeci na czerwono, a po naładowaniu — na zielono.


Teraz wszystko czyścimy, nakładamy nową pastę termoprzewodzącą i składamy w odwrotnej kolejności.


Potem można przejść do pełnych testów. Przy okazji: z akumulatorem ładowarka działa bardziej przewidywalnie i zrozumiale niż z obciążeniem.
Na początku nie chciała przejść w tryb ładowania. Napięcie akumulatora wynosiło około 13.6 V nawet po kilku tygodniach bezczynności, więc musiałem podłączyć obciążenie.
To kolejny dowód na to, że cykli ładowania i rozładowania spowodowanych samorozładowaniem będzie bardzo mało. W rzeczywistości dochodzi jeszcze samorozładowanie przez niewielkie obciążenie zasilacza, ale wynosi ono maksymalnie około 12-15 mA.
Po krótkim impulsie popłynął prąd ładowania, a napięcie zaczęło rosnąć.
Gdy tylko osiągnęło 14.2 V, prąd zaczął spadać. Napięcie pozostawało stałe.
Gdy prąd spadł poniżej 2.5 A, ładowarka obniżyła napięcie wyjściowe i w praktyce zakończyła ładowanie.


To samo widać na wykresie — tak wygląda tryb ładowania. Teraz działa prawidłowo, co jest szczególnie przydatne w przypadku „zwykłych” akumulatorów litowych.
Oczywiście najlepiej byłoby dodać również możliwość ograniczenia czasu ładowania, czyli przerwać je, jeśli napięcie osiągnęło już pełną wartość, a prąd nie spada. Wymagałoby to jednak zastosowania mikrokontrolera, co znacznie skomplikowałoby układ, dlatego muszę poprzestać na takim rozwiązaniu.



Podsumowując: powstała ładowarka działająca prawidłowiej niż ta, którą pokazywałem wcześniej. Znacznie lepiej i bezpieczniej ładuje akumulatory litowe (a także kwasowo-ołowiowe), obniżając napięcie podtrzymania i w praktyce wyłączając ładowanie po jego zakończeniu. Dzięki temu układ działa bezpieczniej, a ładowanie przebiega szybciej niż przy ustawieniu napięcia podtrzymania.
Przypomnę, że zwykłych akumulatorów litowych (nie LiFePO4) nie należy stale utrzymywać pod pełnym napięciem — to niebezpieczne.
Moim zdaniem udało się osiągnąć dokładnie to, czego chciałem.

Jeśli planujecie podłączyć tę ładowarkę równolegle do ładowarki w UPS-ie, pamiętajcie, że nie każdy UPS dobrze znosi napięcie akumulatora powyżej 14 V.

To już wszystko. Mam nadzieję, że materiał był przydatny. Jak zwykle będę wdzięczny za komentarze, pytania i sugestie.