Akkulaturi säädettävällä regulaattorilla

Julkaistu: perjantai 10.2.2017

Tämän puuhastelun ideana oli toteuttaa yksinkertainen ja mahdollisimman vähän komponentteja tarvitseva akkulaturi Li-ion akuille. Li-ion akkujen lataus on itse asiassa tarkoin määriteltyä puuhaa, mutta tässä kaikkia "taiteen" sääntöjä ei aivan noudateta.

Li-ion akkuja pitää ladata aluksi vakiovirralla, kunnes jännite on noussut 4,2 tai 4,1 volttiin per kenno, riippuen akun spekseistä. Tämän jälkeen akkuja ladataan vakiojännitteellä kunnes virta on pudonnut hyvin pieneksi alkuperäisestä latausvirrasta. Akkujen kyljessä on usein mallimerkintä, kuten tässäkin tapauksessa ja googlella löytyy ainakin yleisimpien akkuvalmistajien "speksit".

Olin aikaisemmin purkanut atomeiksi muutaman vuoden vanhan epäkuntoon menneen kannettavan tietokoneen. Olin ottanut akun talteen ja tutkinut myös senkin sisältöä, purkamalla tietenkin. Tämän vuoksi romulaatikkojeni pohjalla lojui 8 kpl Samsungin IC18650-22E mallisia akkuja, jotka näyttivät noin kahta puolta - kolmea volttia yleismittarilla tarkistettuani. Päättelin, että akut voisi todennäköisesti vielä valjastaa hyötykäyttöön, mutta ensin tarvitsisin laturin. Koska en omistanut idean syntyhetkellä li-ion akkulaturia kyseisille akuille, eikä ollut muutakaan mahdollisuutta saada niihin virtaa täytyi laturi tehdä itse. Pikaisen googletuksen jälkeen törmäsin LM317 regulaattorilla tehtyyn kytkentään ja ajattelin toteuttaa samanlaista periaatetta noudattavan kytkennän, komponenttitornista kun sattui löytymään muutama kappale LM317:aa. Päätin toteuttaa akkulaturin kahdelle li-ion akulle, jotka on kytketty sarjaan.

Puretusta läppäristä oli jäänyt käteen myös akkulaturi, joka antaa noin 19 volttia ja 4,7 A ulos, joten valitsin sen tämän härvelin virtalähteeksi.

Toteutin kytkennän aluksi LTSpicen simulaattorilla, missä testailin sopivia arvoja akkupaketille. Ajattelin, että voisin käyttää laturia kahden sarjaan kytketyn akun lataamiseen, joten akkujen latausjännitteeksi tuli saada 8,4 volttia ja virtaakin reilu ampeeri. Halusin kytkentään myös suojadiodin, joka estää virran kulkemisen akuista pois päin (ainakin suurimmaksi osaksi). Kytkentäkaavion voit ladata tarkastelua varten tästä linkistä.

Kytkennän toiminta

Kahden Li-ion akun lataukseen tarvitaan vähintään noin 12 voltin jännite, maksimissaan jännite voi olla n. 36 volttia, mutta regulaattoreillaKytkennässä maksimivirta asetetaan vastuksen R3 avulla. Maksimivirran määrittää kaava:

1,25 V / R3

Tämä johtuu siitä, että LM317 pyrkii pitämään ADJ ja OUT -pinnien välisen jännitteen 1,25 voltissa, mihin regulointi perustuu. Joten mikäli akkujännite on matala, niin teoriassa virtaa syötetään akuille tällä kytkennällä maksimissaan 2,5 A. Käytännössä maksimivirta kuitenkin rajoittuu n. 2,2 ampeeriin kytkennässä olevien komponenttien epätarkkuudesta johtuen (mitattu oikosulkemalla lähtö virtamittarin avulla). Tässä täytyy huomioida vastukseen jäävä tehohäviö, joka on 0,5 * 2,22 = 2,42 W (P = RI2), eli jäähdytystä tarvitaan vastuksellekin.

Suuremmilla vastusarvoilla virtaa voidaan rajoittaa enemmän, ja kannattaa tällöinkin huomioida vastuksen R3 tehohäviö. Esimerkiksi 2 ohmin vastukseen jää tällöin 0,78 W, koska vastus rajoittaa virran 0,625 ampeeriin (1,25V/2 = 0,625) ja regulointijännite sekä virta aiheuttavat: 1,25V * 0,625 A = 0,78 watin häviön.

Sivuilla http://www.reuk.co.uk/LM317-Current-Calculator.htm on kätevä laskuri jolla voit vastuksen mitoittaa tällaiseen kytkentään.

Jännitettä säädetään potentiometrillä POT1, joka on arvoltaan 10 kilo-ohmia. Paristojännitteen (täyden akun jännitteen) arvoa säädetään siis vastusjaolla R2 ja POT1. Potentiometrin tilalla voi käyttää myös kiinteää vastusarvoa, mutta kannattaa huomioida vastusten epätarkkuus eli toleranssi. Siksi onkin helpointa käyttää potentiometriä, millä jännite säädetään.

10 kilo-ohmin potentiometrillä voidaan säätää jännite noin 1,0 voltin ja Vin - 5 V välillä. Kannattaa kuitenkin huomioida, että mitä suurempi jännite-ero on regulaattorin IN ja OUT nastojen välillä, sen suurempi tehohäviö LM317:aan jää ja jäähdytystä voi tarvita. Tällä kytkennällä regulaattoriin jää suuri määrä tehohäviötä suurella virralla, koska kytkennän käyttöjännite on niin korkea (19 V).

Kytkennässä on myös schottcky-diodi D1, joka estää akkujen purkautumisen kun syöttöjännite poistetaan. Ilman diodia D1 akuilta pääsisi virta "karkuun". Lisäksi led ilmaisee, kun akkuja ladataan ja on näin ollen indikaattorina kun kytkennässä on virrat päällä. R5 toimii pienenä lisäkuormana, sillä regulaattorit vaativat pienen kuorman että regulointi toimii kunnolla.

Huom! Kytkentä ei ole mikään ideaalinen akkujen lataukseen, mutta hoitaa hommansa. Harrastelijalle se usein riittääkin.

Koekytkennän teko sekä piirilevyn valmistus

Rakensin jalallisista komponenteista aluksi koekytkentäalustalle piirin, joka noudattaa yllä olevaa piirikaaviota. Totesin kytkennän toimivaksi, joten piirsin sen sitten piirikaavioeditorilla ja piirilevyeditorilla muokkasin "lätyn" valmiiksi. Alla oleva kuvasarja kertoo miten hommat eteni.

Aluksi piti rakentaa jäähdytys. Regulaattorin kiinnittäminen jäähdytyselementtiin alkoi poraamalla siihen kiinnitysreikä ja puhdistamalla musta maali elementin pinnalta.

Puhdistuksen jälkeen levitin pinnalle jäähdytyselementtien liimaamiseen tarkoitettua möhnää (hankitty E-bay:stä).

Koekytkentälevylle tehty kytkentä. Kuvassa johtimia, vastuksia, npn-transistori ja elko. Itse regulaattori oli kiinnitetty jäähdytyslevyyn eikä mahtunut kuvaan.


Regulaattori kiinni ruuvilla ja möhnällä. Tämä kuivaa muutaman tunnin, joten kiinnityksen jälkeen ei kannata hötkyillä.

Piirilevyn valmistus alkoi piirtämällä siitä kuva ja tulostamalla se siirtokalvolle. Tämän jälkeen etsitään sopivan kokoinen kuparilevy ja leikataan siirtokalvo sopivan kokoiseksi. Piirilevyn koko n. 4 cm x 7,5 cm.

Piirilevyn pinta puhdistettiin teräsvillaisella uunin puhdistukseen tarkoitetulla sienellä ja siirtokalvo teipattiin kuparilevyyn kiinni.

Siirtokalvon päälle laitetaan yksi A4:ä arkki paperia vähentämään silityskitkaa. Silitysrauta saa olla pirun kuumalla tässä vaiheessa. Silittää ei kuitenkaan tarvitse, ainoastaan hieman painaa. Näin pienelle levylle raudan oma paino riittää.

Kuuma levy jäähtyy nopeasti kylmän vesihanan alla. Pihtejä kannattaa hyödyntää etteivät näpit pala.

Siirtokalvo kannattaa poistaa kiireettömässä mielentilassa. Kuvassa näkyy kun kaikki syövytysmaski ei ole tarttunut kunnolla...

...mutta pikku epätäydellisyydet voidaan korjata decon PC 33 marker -kynällä. Teippiäkin voi käyttää jos ei omista tällaista kynää.

Lopuksi paljaat kuparialueet teipataan, sillä turhaan niitä syövyttelemään ja piirilevystä tulee oikeastaan paremman näköinen tällä tavoin. Teippi toimii siis hyvänä maskina.

Ferrokloridissa kupari ei viihdy kauaa. Menossa siis syövytys. Tähän meni suhteellisen vahvalla konsentraatiolla noin 10 minuuttia.

10 minuutin kuluttua levy nostetaan liuoksesta pois, ravistellaan ylimääräiset nesteet ja huuhdellaan hyvin. Syövytysjälki näkyy hyvin lamppua vasten.

Reiät kannattaa porata ennen maskin poistoa, sillä porattavat kohdat on helpompi erottaa tällä tavalla. Tässä käytetty halppis miniporakonetta (missä on haasteellista saada pieni poranterä suoraan).

Lopuksi poistetaan syövytysmaski. Asetoni (kynsilakan poistoaine) on tähän hyvä, myös muut liottimet käyvät. Maski lähtee myös teräsvillalla ja pesuaineella hankaamalla.

Uudelleen tarkastus valoa vasten. Näytästää ok:lle. Syövytysjälki on tasaista eikä levy jäljistä päätellen ollut liian kauan syöpymässä (röpelöiset vetojen reunat kertovat yliajasta).

Lopuksi komponentit sekä johtimet paikoilleen ja kytkennän tarkistus oikosulkujen varalta sekä lopullinen trimmaus potentiometristä, jotta jännite on oikea.

Kuva myös toiselta puolen... Valmis! (Piirilevyn kuparipinta lakattiin myös lopuksi).

Laitteen testaus

Laturi lataa akut suhteellisen täyteen kun jännite on asetettu ilman akkuja haluttuun jännitteeseen. Latausaika on noin 2-4 tuntia, riippuen akkujen kunnosta. Huomasin, että kytkentä vaatii pienen ylijännitteen tyhjänä, jos haluaa että akut tulevat aivan täyteen tällä laturilla. Tämä koskee kuitenkin vain Samsungin IC18650-22E mallisia akkuja, joten muilla akuilla kytkentä voi toimia täysin oikein. Itse asiassa sivuilla http://www.shdesigns.org/lionchg.html mainitaan, että alkuperäinen kytkentä on juuri sopiva Panasonicin Li-ion akuille.

Joten jos joku tämän haluaa rakentaa, niin kannattaa tarkistaa akkujen speksit ja soveltaa kytkentää sen mukaan.

Note: Kytkentä muuttui käyttöönoton myötä siten, että lataankin kolmen akun sarjakytkentää 12,6 V:n jännitteellä, hyvin toimii silläkin. Ylijännite tällöin tyhjänä 13V.