Плата захисту та комутації зарядного пристрою для навантажень Atorch

Ця історія почалася давно, думаю, понад рік тому, хоча її коріння сягає взагалі 2023 року. А сьогодні я покажу, до чого все це мене привело.

Нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення та нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog


Взагалі коріння цієї теми сягає огляду навантаження DL24EW, яке мене по-своєму дуже зацікавило, адже воно вміло не лише працювати як навантаження, а й керувати заряджанням акумуляторів — точніше, просто підключати зовнішній зарядний пристрій. Але й це вже непогано.
Тоді я тестував комплектну плату комутації й, пригадую, сильно її критикував через велике падіння напруги і, як наслідок, затягнуту фазу CV.

Згодом мені до рук потрапила новинка — спочатку CL24, до якої я замовив дві плати комутації, по одній на кожне з двох навантажень, а потім BW150, яка також уміє керувати заряджанням, але плату до неї я не замовляв.



Під час підготовки огляду CL24 я не звернув уваги на плату комутації, а дарма: виявилося, що стара й нова версії кардинально відрізняються.


Для початку — схема першого варіанта плати, що йшла в комплекті з 24EW.
Як я писав в огляді, схема вкрай примітивна: польовий транзистор керується через DC-DC-перетворювач із гальванічною розв’язкою та комутує коло заряджання.
Захист від переполюсування реалізовано гранично просто: запобіжник і діод — мінімалізм у всій красі.

Основна проблема — опір каналу застосованого транзистора становить приблизно 75мОм, що вже за струму 10А дає падіння напруги 0.75 вольта.
Падіння напруги заважає заряджанню, особливо якщо йдеться про окремі елементи. Крім того, за струму 10А на транзисторі розсіюватиметься вже близько 7.5 ватта тепла, а це дуже багато, тому така плата підходить для струмів не більше ніж 5-7А.


Але нещодавно до мене звернувся один із читачів із проханням допомогти розібратися з дивною поведінкою нового навантаження. Скарга була така: за вхідної напруги 4.2 вольта й напруги на акумуляторі 3.8 вольта струм падає приблизно до 0.35А.
Спочатку я навіть не зрозумів, у чому тут проблема, але коли взяв до рук точно таку саму плату й розібрався, то зрозумів, що попередня плата була не така вже й погана.


Річ у тім, що в другій версії плати виробник установив діод захисту від переполюсування... послідовно.
Так, звісно, під час заряджання окремих елементів ми й отримаємо ту дичину, з якою до мене звернулася людина: ви принципово не зможете зарядити акумулятор на 4.2 вольта від зарядного пристрою на 4.2 вольта.


Загалом це звернення стало останньою краплею, і я вирішив узяти проблему у свої руки та розв’язати її.
Насправді проблему частково було розв’язано ще рік тому, коли я почав збирати навантаження на базі плати DL24EW, тільки тоді я використовував власний комутатор.


Було розроблено два варіанти: великий, зі струмом до 30-40А, який встановлюється в повноцінні навантаження на базі 24EW


А також зменшений, із транзисторами в корпусі ТО220, максимальний струм — 20А. Такий встановлюється в тестери акумуляторів, наприклад, цей, або в навантаження на базі контролера CL24. Це зумовлено тим, що там струми сягають максимум 20А.


Взагалі я давно думав зробити власний комутатор для навантажень цих серій, але все якось відкладав. І тут останньою краплею стало звернення людини з проблемою, про яку я написав вище.
Після всього цього я сів, розробив нову схему, нову друковану плату й додав її до чергового замовлення на JLCPCB. За пару тижнів готові плати вже були в мене.
Загалом сервіс мені справді сподобався, рекомендую. Якщо виникнуть запитання, можу підказати те, що сам знаю.


Насамперед перевірив, чи підходить плата на штатне місце. Підходить ідеально, хоча є невеликий нюанс — про нього пізніше.


Перед замовленням я зазвичай спочатку виготовляю тестовий зразок. Тут було так само, але до складання справа не дійшла — проблему виявив набагато раніше.
Суть у тому, що спочатку я розробив плату для навантаження 24EW, і все було б ідеально, якби не одне АЛЕ: у нього комутація відбувається в колі живлення, а земля при цьому не розривається.
У CL24 і BW150 навпаки: 12 вольт є завжди, а розривається земля. На мій погляд, це неправильно, адже за правилами доброго тону завжди розриваємо живлення, а землю не чіпаємо. Те саме стосується вимірювальних шунтів, але там ситуація складніша.

Довелося знову сісти за комп’ютер і трохи доопрацювати схему. У результаті вийшла нова універсальна версія, яка підходить для обох типів керування без будь-яких джамперів тощо.

До речі, нова версія має ще одну важливу відмінність від найпершої, яку я використовував. Схема першого варіанта не дозволяла під’єднати силовий вузол, якщо щось було ввімкнено з неправильною полярністю. Нова схема дозволяє під’єднання, якщо все підключено з правильною полярністю.
Виглядає однаково, але насправді це не так.
Стара схема працювала за принципом заборони: якщо щось не так — забороняємо, в інших випадках дозволяємо, навіть якщо на вході немає напруги.
Нова схема дозволяє роботу, якщо на обох входах не лише є напруга правильної полярності, а й якщо вона вища приблизно за 1.5-1.8 вольта, тобто без напруги вона не під’єднає батарею до зарядного пристрою.



Тепер треба перевірити, що вийшло. Беру деталі й паяю їх на плату.


Вийшло відносно акуратно, хоча деякі місця я вже трохи підкоригував, щоб зробити використання зручнішим.


Я замовив пару десятків плат, але для проби зібрав дві штуки. Під час трасування намагався зробити плату не лише для типових навантажень Atorch, а й такою, щоб самому використовувати її для своїх потреб, тобто у вбудованому варіанті.

Клеми такі самі, як в Atorch, і так само є гніздо 5521 для під’єднання менш потужних зарядних пристроїв.



Деталей тут явно більше, ніж в Atorch. Заодно додав світлодіоди, які показують правильність під’єднання зарядного пристрою й світяться незалежно від того, під’єднана плата до навантаження чи ні.
Також передбачив установлення як SMD-запобіжника, так і звичайного автомобільного на 25А. У першого має бути менше падіння напруги.

До речі, щодо запобіжника. Загалом тепер він тут не дуже потрібен і захищає, по суті, лише від однієї ситуації: під’єднані і зарядний пристрій, і батарея, а навантаження видає сигнал комутації, тобто триває цикл заряджання батареї, і в цей час ви замикаєте клеми зарядного пристрою. Виходить, що вузол комутації відкритий, але під час короткого замикання весь струм іде через транзистори. Так, схема спробує їх закрити, але не факт, що встигне, тому в разі пробою транзисторів має перегоріти запобіжник. В інших ситуаціях він лише заважає, оскільки має ненульовий опір.




Окрім клем та іншого, постарався виконати плати в тому самому стилі, що й плати Atorch, навіть маска такого самого кольору :)


На жаль, в одному місці все-таки схибив, на щастя, не фатально: переплутав маркування (добре, що лише маркування) S і D.



Як я писав, додався індикатор полярності зарядного пристрою. Він починає світитися приблизно від 2-2.5 вольта, за 3 вольтів світить уже досить яскраво, максимальна напруга — 50 вольт.


Також на платі є жовтий світлодіод, який світиться лише за дотримання таких умов:
1. На вході зарядного пристрою правильна полярність і напруга вища за 1.5-1.8 вольта
2. На вході батареї правильна полярність і напруга вища за 1.5-1.8 вольта
3. Надходить сигнал керування.

Тобто це саме індикатор роботи вузла комутації, а не просто сигналу керування.


Але ж цікаво перевірити, а точніше, ще й порівняти, чим відрізняються штатні плати від моєї. Для цього використаю блок живлення RD3060 і навантаження на базі CL24, яке, до речі, містить усередині подібний вузол комутації.


Перевіряємо. Напруга 12 вольт, від неї тут живилася і схема керування, струм 1, 5 і 10А, стара версія плати Atorch.
Ліворуч режим тестування, по центру падіння напруги на колі транзистора, праворуч — падіння на колі запобіжника.
Сумарно вийшло відповідно 0,04, 0.2 і 0.44 вольта


Друга версія плати Atorch, струм той самий: 1, 5 і 10А, хоча за 10А їй уже було важко.
Сумарне падіння — 0.36, 0.55 і 0.78 вольта, жах...

Цікаво інше. За даташитом опір застосованого транзистора — 75мОм, а судячи з вимірювань, радше близько 35мОм. Виникає питання: що це взагалі за транзистори...


Тепер моя плата в базовій версії, струми ті самі: 1, 5 і 10А, плюс 20А. Черговість і місце вимірювання ті самі, що й раніше.
Сумарно — 0.015, 0.076, 0.16 і 0.346 вольта. Думаю, і без мікроскопа видно, що падіння за струму 20 ампер менше, ніж у плат Atorch за 10А першої версії, не кажучи вже про другу.


Друга плата, тут внесено дві зміни: запобіжник замінено на SMD, встановлено один на 30А, хоча місце передбачене для двох по 15А — так було б краще. Крім того, посилено доріжку між силовими транзисторами.

Режими ті самі: 1, 5, 10 і 20А.
Сумарно — 0.013, 0.115, 0.14 і 0.312 вольта, трохи менше, ніж у першого варіанта, тож, можливо, так і робитиму.


Насправді картина трохи гірша. Річ у тім, що і мідь, і транзистори мають додатний ТКС, тобто опір зростає в міру нагрівання, відповідно, у гарячому стані падіння буде більшим. Я не став тестувати всі плати, бо залежність буде приблизно однаковою, перевірив останню.
Струм 20А: на колі комутації було 0.232 вольта, стало 0.285 вольта; на колі запобіжника було 0.0804, стало 0.0826. Сумарне падіння зросло з 0.312 вольта до 0.367 вольта, але все одно краще, ніж у першої плати Atorch за 10А.


Температура транзисторів, принаймні правого, у такому режимі — близько 110 градусів, звісно, забагато, тому 20А — це тривалий максимум. Температура плати біля запобіжника — близько 85 градусів, на самому запобіжнику, думаю, теж було близько сотні градусів.


Ситуацію можна трохи поліпшити, якщо встановити більші радіатори. Можливо, спробую, може, заміню тільки правий, бо лівий радіатор і так досить близько до клем, що може заважати.
Ще є варіант примусово вмикати вентилятор навантаження на малих обертах, це дуже допоможе, а заодно охолоджуватиметься і шунт навантаження. На жаль, це не підходить для навантажень на базі DL24EW.


Як я вже писав, модуль повністю сумісний із навантаженнями серій DL24EW, CL24 і BW150, а також з усіма новими, що підтримують керування заряджанням. Йдеться як про електричну, так і про механічну сумісність.


Тепер про ціну і про те, чим мій варіант цього модуля кращий за оригінальні.
Спершу про відмінності:
1. Падіння напруги. Вище я показав, що оригінальний модуль, особливо другої версії, зовсім не підходить для заряджання низьковольтних елементів і батарей.
2. Захист від переполюсування. У моєму варіанті це саме повний захист: плата просто не під’єднає зарядний пристрій до батареї, якщо хоча б щось буде під’єднано з неправильною полярністю.
3. Захист від зворотного струму. У варіанті Atorch живлення від батареї завжди надходитиме в бік зарядного пристрою через діод польового транзистора, і тут нічого не вдієш. У моєму варіанті коло повністю розмикається, що водночас захищає ваш зарядний пристрій від виходу з ладу, особливо якщо це зарядний пристрій на базі ЛБЖ або перетворювача ДСДС. Це також просто підвищує безпеку використання.
4. Більший струм: перша версія Atorch має максимум 7-10 ампер, друга — максимум 5 ампер, тут струм до 20А, а з примусовим охолодженням — до 25А.
5. Індикація правильності під’єднання зарядного пристрою.
6. Напруга комутації: тут перевага за Atorch, бо моя плата комутує до 50 вольт, а в Atorch, думаю, можна комутувати й 200. Точніше, не зовсім так: комутувати вона може й 100 вольт, але якщо напруга буде вищою за 50 і ви переплутаєте полярність, транзистори проб’є, бо вони розраховані на 100 вольт, а в разі переполюсування напруги зарядного пристрою та батареї додаються.


Щодо ціни. Запланована ціна — 450грн за модуль плюс комплект кріплень. Якщо у вас уже є плата комутатора Atorch, то 400грн; у цьому разі клеми й кріплення до комплекту не входять, бо вони у вас уже є.
Так, не дуже дешево, але я не Atorch, у мене немає таких обсягів і гуртових закупівельних цін :(

На ОЛХ оголошення з’явиться пізніше, а поки можна писати на імейл.




На сьогодні в мене все. Сподіваюся, моя платка буде корисною і вам — у користуванні, і мені — як невеликий заробіток на подальші розробки. Можливо, згодом для підписників Patreon буде додано схему та трасування для самостійного виготовлення.
Як завжди, буду радий вашим коментарям і побажанням.