Płytka zabezpieczająca i przełączająca do obciążenia Atorch

Ta historia zaczęła się dawno temu, chyba ponad rok temu, choć jej korzenie sięgają właściwie 2023 roku. A dziś pokażę, do czego mnie to wszystko doprowadziło.

Przypominam: żeby być na bieżąco z nowymi tematami na blogu, polecam obserwować mnie na Instagramie. Będę tam publikować powiadomienia o wszystkich 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


Właściwie początki tego tematu sięgają recenzji obciążenia DL24EW, które bardzo mnie zainteresowało, bo potrafiło nie tylko działać jako obciążenie, ale też sterować ładowaniem akumulatorów, a dokładniej po prostu podłączać zewnętrzną ładowarkę. I to już było całkiem niezłe.
Wtedy testowałem dołączoną do zestawu płytkę przełączającą i, o ile dobrze pamiętam, mocno ją krytykowałem za duży spadek napięcia, a w konsekwencji wydłużoną fazę CV.

Jakiś czas później trafiła do mnie nowość, najpierw CL24, do której zamówiłem dwie płytki przełączające, po jednej do każdego z dwóch obciążeń, a potem BW150, które również potrafi sterować ładowaniem, ale do niego płytki nie zamawiałem.



Podczas przygotowywania recenzji CL24 nie zwróciłem uwagi na płytkę przełączającą, a szkoda, bo okazało się, że starsza i nowsza wersja różnią się zasadniczo.


Na początek schemat pierwszej wersji płytki, dołączanej do 24EW.
Jak pisałem w recenzji, układ jest skrajnie prosty: tranzystor MOSFET jest sterowany przez przetwornicę DC-DC z izolacją galwaniczną i przełącza obwód ładowania.
Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją wykonano w najprostszy możliwy sposób: bezpiecznik i dioda. Minimalizm w pełnej krasie.

Główny problem polega na tym, że rezystancja kanału zastosowanego tranzystora wynosi około 75 mΩ, co przy prądzie 10 A daje już spadek napięcia 0,75 V.
Spadek utrudnia ładowanie, zwłaszcza pojedynczych ogniw. Ponadto przy prądzie 10 A na tranzystorze wydzieli się około 7,5 W ciepła, czyli zdecydowanie za dużo. Dlatego ta płytka nadaje się do prądów nie większych niż 5–7 A.


Niedawno jeden z czytelników zwrócił się do mnie z prośbą o pomoc w wyjaśnieniu dziwnego zachowania nowego obciążenia. Problem polegał na tym, że przy napięciu wejściowym 4,2 V i napięciu akumulatora 3,8 V prąd spadał do około 0,35 A.
Na początku nawet nie zrozumiałem, w czym tkwi problem, ale kiedy wziąłem do ręki identyczną płytkę i przyjrzałem się jej, doszedłem do wniosku, że poprzednia wersja wcale nie była taka zła.


Chodzi o to, że w drugiej wersji płytki producent umieścił diodę zabezpieczającą przed odwrotną polaryzacją... szeregowo.
Tak, oczywiście przy ładowaniu pojedynczych ogniw otrzymamy właśnie ten absurd, z którym zgłosił się do mnie czytelnik: akumulatora o napięciu 4,2 V po prostu nie da się naładować ładowarką o napięciu 4,2 V.


W każdym razie ta wiadomość przelała czarę goryczy i postanowiłem wziąć sprawy w swoje ręce i rozwiązać problem.
Właściwie problem został częściowo rozwiązany już rok temu, kiedy zacząłem budować obciążenia na bazie płytki DL24EW, tyle że stosowałem w nich własny układ przełączający.


Opracowałem dwie wersje. Większa, obsługująca prąd do 30–40 A, jest montowana w pełnowymiarowych obciążeniach na bazie 24EW.


Jest też mniejsza wersja z tranzystorami w obudowach TO220, o maksymalnym prądzie 20 A. Montuje się ją w testerach akumulatorów, na przykład w tym, albo w obciążeniu na bazie kontrolera CL24. Wynika to z tego, że tam prąd nie przekracza 20 A.


Od dawna chodził mi po głowie pomysł, żeby zrobić własny układ przełączający do obciążeń z tych serii, ale ciągle odkładałem to na później. W końcu przelała czarę goryczy wiadomość od czytelnika z problemem, o którym pisałem wyżej.
Po tym wszystkim usiadłem, zaprojektowałem nowy schemat i nową płytkę drukowaną, a potem dodałem ją do kolejnego zamówienia w JLCPCB. Minęło parę tygodni i miałem już gotowe płytki.
Ogólnie usługa naprawdę mi się spodobała, polecam. Jeśli macie jakieś pytania, mogę podpowiedzieć to, co sam wiem.


Najpierw sprawdziłem, czy płytka pasuje w fabryczne miejsce. Pasuje idealnie, choć jest jeden drobny szczegół, o którym później.


Przed złożeniem zamówienia zwykle najpierw wykonuję prototyp. Tym razem było tak samo, ale do montażu nie doszło, bo problem wyszedł na jaw znacznie wcześniej.
Chodzi o to, że najpierw zaprojektowałem płytkę do obciążenia 24EW i wszystko byłoby idealnie, gdyby nie jedno ALE: w tym modelu przełączanie odbywa się w torze zasilania, a masa pozostaje nieprzerwana.
W CL24 i BW150 jest odwrotnie: 12 V jest zawsze obecne, a przełączana jest masa. Moim zdaniem to nieprawidłowe, bo zgodnie z dobrą praktyką odłączamy zasilanie, a masy nie ruszamy. To samo dotyczy boczników pomiarowych, choć tam sytuacja jest bardziej skomplikowana.

Musiałem znów usiąść do komputera i nieco poprawić schemat. W rezultacie powstała nowa, uniwersalna wersja, która pasuje do obu typów sterowania, bez żadnych zworek itp.

Przy okazji nowa wersja ma jeszcze jedną ważną różnicę w stosunku do pierwszej, której używałem. Układ w pierwszej wersji nie pozwalał podłączyć modułu mocy, jeśli coś było podłączone z odwrotną polaryzacją. Nowy układ zezwala na podłączenie, jeśli wszystko jest podłączone z prawidłową polaryzacją.
Wygląda to tak samo, ale w rzeczywistości działa inaczej.
Stary układ działał na zasadzie zakazu: jeśli coś jest nie tak, blokujemy, a w pozostałych przypadkach zezwalamy, nawet jeśli na wejściu nie ma napięcia.
Nowy układ zezwala na pracę tylko wtedy, gdy na obu wejściach jest napięcie o prawidłowej polaryzacji i wynosi ono co najmniej około 1,5–1,8 V. Czyli bez napięcia nie podłączy akumulatora do ładowarki.



Teraz trzeba sprawdzić, co z tego wyszło. Biorę elementy i lutuję je na płytce.


Wyszło całkiem schludnie, choć kilka miejsc zdążyłem już nieco poprawić, żeby korzystanie z urządzenia było wygodniejsze.


Zamówiłem około dwudziestu płytek, ale na próbę zmontowałem dwie sztuki. Przy okazji projektowania ścieżek starałem się przygotować ją nie tylko do typowych obciążeń Atorch, ale też tak, żebym mógł używać jej do własnych celów, czyli w wersji do zabudowy.

Zaciski są takie same jak w Atorch, jest też gniazdo 5521 do podłączania mniej wydajnych ładowarek.



Jest tu wyraźnie więcej elementów niż w Atorch. Dodałem też diody LED sygnalizujące prawidłowe podłączenie ładowarki, które świecą niezależnie od tego, czy płytka jest podłączona do obciążenia.
Przewidziałem też miejsce zarówno na bezpiecznik SMD, jak i zwykły samochodowy 25 A. Ten pierwszy powinien mieć mniejszy spadek napięcia.

A skoro mowa o bezpieczniku. W zasadzie nie jest już tu zbyt potrzebny i chroni właściwie tylko przed jedną sytuacją: podłączone są ładowarka i akumulator, a obciążenie podaje sygnał przełączania, czyli trwa cykl ładowania akumulatora, i w tym czasie zwieracie zaciski ładowarki. Moduł przełączający jest wtedy załączony, ale przy zwarciu cały prąd płynie przez tranzystory. Owszem, układ spróbuje je wyłączyć, ale nie ma pewności, czy zdąży, dlatego w razie przebicia tranzystorów powinien przepalić się bezpiecznik. W pozostałych sytuacjach tylko przeszkadza, bo ma niezerową rezystancję.




Oprócz zacisków i innych szczegółów starałem się utrzymać płytki w tym samym stylu co płytki Atorch. Nawet soldermaska ma ten sam kolor :)


Niestety, w jednym miejscu popełniłem błąd, na szczęście niegroźny: zamieniłem oznaczenia (dobrze, że tylko oznaczenia) S i D.



Jak pisałem, dodałem wskaźnik polaryzacji ładowarki. Zaczyna świecić przy około 2–2,5 V, a przy 3 V świeci już dość jasno. Maksymalne napięcie wynosi 50 V.


Na płytce jest też żółta dioda LED, która świeci tylko wtedy, gdy spełnione są następujące warunki:
1. Na wejściu ładowarki jest prawidłowa polaryzacja, a napięcie przekracza 1,5–1,8 V
2. Na wejściu akumulatora jest prawidłowa polaryzacja, a napięcie przekracza 1,5–1,8 V
3. Doprowadzony jest sygnał sterujący.

Czyli jest to wskaźnik działania modułu przełączającego, a nie tylko sygnału sterującego.


Warto jednak sprawdzić, a właściwie także porównać, czym różnią się oryginalne płytki od mojej. W tym celu użyję zasilacza RD3060 i obciążenia opartego na CL24, które, nawiasem mówiąc, ma w środku podobny moduł przełączający.


Sprawdzamy. Napięcie 12 V, z niego zasilany był tutaj również układ sterujący. Prąd: 1, 5 i 10 A, starsza wersja płytki Atorch.
Po lewej tryb testowy, pośrodku spadek napięcia na obwodzie tranzystora, po prawej spadek na obwodzie bezpiecznika.
Łącznie wyszło odpowiednio 0,04, 0,2 i 0,44 V


Druga wersja płytki Atorch, prądy takie same: 1, 5 i 10 A, choć przy 10 A było jej już ciężko.
Łączny spadek napięcia: 0,36, 0,55 i 0,78 V. Masakra...

Ciekawsze jest co innego. Według karty katalogowej zastosowany tranzystor ma rezystancję 75 mΩ, a sądząc po pomiarach, raczej około 35 mΩ. Pojawia się więc pytanie: co to w ogóle za tranzystory...


Teraz moja płytka w wersji podstawowej. Prądy takie same: 1, 5 i 10 A, plus 20 A. Kolejność i miejsce pomiaru takie jak wcześniej.
Łącznie: 0,015, 0,076, 0,16 i 0,346 V. Myślę, że i bez mikroskopu widać, że spadek przy 20 A jest mniejszy niż na płytkach Atorch przy 10 A w pierwszej wersji, nie mówiąc już o drugiej.


Druga płytka. Wprowadzono tu dwie zmiany: bezpiecznik zastąpiono elementem SMD, zamontowano jeden na 30 A, choć przewidziano miejsce na dwa po 15 A — tak byłoby lepiej. Ponadto wzmocniono ścieżkę między tranzystorami mocy.

Tryby te same: 1, 5, 10 i 20 A.
Łącznie: 0,013, 0,115, 0,14 i 0,312 V, nieco mniej niż w pierwszym wariancie, więc być może tak właśnie będę robić.


W rzeczywistości sytuacja wygląda nieco gorzej. Zarówno miedź, jak i tranzystory mają dodatni współczynnik temperaturowy, czyli ich rezystancja rośnie w miarę nagrzewania. W związku z tym po rozgrzaniu spadek napięcia będzie większy. Nie testowałem wszystkich płytek, bo zależność będzie mniej więcej taka sama. Sprawdziłem ostatnią.
Prąd 20 A. Na obwodzie przełączającym spadek wynosił 0,232 V, a wzrósł do 0,285 V. Na obwodzie bezpiecznika było 0,0804 V, a jest 0,0826 V. Łączny spadek wzrósł z 0,312 V do 0,367 V, ale i tak jest lepiej niż na pierwszej płytce Atorch przy 10 A.


Temperatura tranzystorów, przynajmniej prawego, w tym trybie wynosi około 110°C. To oczywiście sporo, dlatego 20 A to maksimum przy pracy ciągłej. Temperatura płytki w okolicy bezpiecznika wynosi około 85°C, a sam bezpiecznik miał pewnie około 100°C.


Sytuację można nieco poprawić, montując większe radiatory. Być może spróbuję, może wymienię tylko prawy, bo lewy i tak znajduje się dość blisko zacisków, co może przeszkadzać.
Jest jeszcze możliwość wymuszenia pracy wentylatora obciążenia na niskich obrotach. To bardzo pomoże, a przy okazji będzie chłodzić również bocznik obciążenia. Niestety nie sprawdzi się w obciążeniach opartych na DL24EW.


Jak już pisałem, moduł jest w pełni kompatybilny z obciążeniami z serii DL24EW, CL24 i BW150, a także ze wszystkimi nowszymi modelami obsługującymi sterowanie ładowaniem. Chodzi zarówno o kompatybilność elektryczną, jak i mechaniczną.


Teraz o cenie i o tym, czym mój wariant tego modułu jest lepszy od oryginalnych.
Na początek różnice:
1. Spadek napięcia. Powyżej pokazałem, że oryginalny moduł, zwłaszcza druga wersja, zupełnie nie nadaje się do ładowania ogniw i akumulatorów niskonapięciowych.
2. Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją. W moim wariancie jest to pełne zabezpieczenie: płytka po prostu nie podłączy ładowarki do akumulatora, jeśli choć jeden z nich będzie podłączony z niewłaściwą polaryzacją.
3. Zabezpieczenie przed prądem wstecznym. W przypadku wariantu Atorch zasilanie z akumulatora będzie zawsze płynąć w stronę ładowarki przez diodę tranzystora MOSFET i nic się na to nie poradzi. W moim wariancie obwód jest całkowicie rozłączany, co przy okazji chroni ładowarkę przed uszkodzeniem, zwłaszcza jeśli jest oparta na zasilaczu laboratoryjnym lub przetwornicy DC-DC. Zwiększa to również bezpieczeństwo użytkowania.
4. Większy prąd. Pierwsza wersja Atorch ma maksimum 7–10 A, druga maksimum 5 A, a tutaj prąd sięga 20 A, a przy wymuszonym chłodzeniu 25 A.
5. Sygnalizacja prawidłowego podłączenia ładowarki.
6. Napięcie przełączania. Tu wygrywa Atorch, bo moja płytka przełącza napięcia do 50 V, a Atorch, jak sądzę, może przełączać nawet 200 V. A właściwie nie do końca: może przełączać nawet 100 V, ale jeśli napięcie przekroczy 50 V i pomylisz polaryzację, tranzystory ulegną przebiciu, bo są na 100 V, a przy odwrotnej polaryzacji napięcia ładowarki i akumulatora się sumują.


A co z ceną? Planowana cena to 450 UAH za moduł plus zestaw elementów montażowych. Jeśli masz już płytkę przełączającą Atorch, cena wyniesie 400 UAH. W takim przypadku zaciski i elementy montażowe nie wchodzą w skład zestawu, bo już je masz.
Tak, nie jest to zbyt tanie, ale nie jestem Atorchem, nie mam takich wolumenów ani hurtowych cen zakupu :(

Ogłoszenie na OLX pojawi się później, a na razie można pisać na e-mail.




Na dziś to wszystko. Mam nadzieję, że moja płytka przyda się zarówno wam, w codziennym użytkowaniu, jak i mnie — jako niewielkie źródło dochodu na dalsze prace rozwojowe. Być może później dla patronów zostaną dodane schemat i projekt ścieżek do samodzielnego wykonania.
Jak zwykle będę wdzięczny za komentarze i sugestie.