Akkulaturi

Automaattinen akkulaturi
Pekka Ritamäki

akkulaturi1.jpg

Kuva 1 automaattinen akkulaturi mallia 1976, täysin toimintakuntoinen ja käytössä vuonna 2016.

Kiinalaisia ja ruotsalaisia akkulatureita myydään jokaisessa halpahallissa, mutta silti elektroniikkaharrastaja pystyy rakentamaan paremman ja monipuolisemman akkulaturin edullisemmin. Vanha 1976 tekemäni akkulaturi tuli mieleen kun erehdyin ostamaan muovisen ruotsalaisen akkulaturin. Laturissa oli kolme nappia ja muutama ledi. Napeilla valitaan pieni, keskisuuri ja iso akku. Latausvirrasta tai jännitteestä ei ollut tietoa. Laitoin akkulaturin lataamaan GPS-paikannuslaitteeni pientä akkua alumiiniseen matkalaukkuun . Tarvittaessa ajattelin ladata akkua sähköpistokkeella, jos sellainen olisi käytettävissä.
Kun laite oli muutaman kerran tyhjentänyt radiopaikannuslaitteeni nikkeli-cadmiumakkuni, yritin laittaa sarjadiodin tämä akkulaturin ja akun väliin. Nyt laite ei tyhjentänyt akkuani, mutta ei myöskään ladannut sitä. Etsin vanhan, mutta hyvin toimivan akkulaturini taas käyttöön [1].

Hyvä akkulaturi

Akkulaturin vaatimukset eivät ole muuttuneet kolmessakymmenessä vuodessa.

Hyvän akkulaturin ominaisuudet
• laturi ei saa purkaa akkua
• laturissa pitää olla latausvirtamittari
• laitteella pitää olla hyvä hyötysuhde
• ylivarauksen eli akun keittämisen esto
• säädettävä latausvirta
• väärän napaisuuden suojaus
• robusti rakenne, akkulaturia ei käsitellä hansikkailla.
• laite pitää olla turvallisesti suunniteltu ja puolijohteet eivät saa lämmetä maksimivirralla
• riittävä latausvirta, ainakin viisi ampeeria
• helppo siirtää ja suuret latausliittimet
• latauksen loppumisen merkkivalo
• metallikotelo
• käyttöjännitteen merkkivalo
• ylivirtasuojaus
• laturin käyttö muihin tarkoituksiin suotavaa, esimerkiksi jos laturia voidaan käyttää säädettävänä kuumalankateholähteenä laitteella on muutakin käyttöä kuin toimia akkulaturina

Tuossa listassa on niin paljon vaatimuksia, että niitä ei ole helppo toteuttaa. En muista nähneeni yhtään kaupallista akkulaturia, jossa on jatkuvasti säädettävä latausvirta. Jos laitteessa on säädettävä virta, sillä voidaan ladata pieniä akkuja tai käyttää laitetta vastauslankaleikkurin teholähteenä. Radioamatöörilaitteiden teholähteet ovat yleisesti 25A 13.8V. Kun radion lähetin toimii, lineaariteholähteiden tuuletin pärähtää häiritsevästi käyntiin. Käyttämällä pientä akkua ja automaattista akkulaturia teholähde toimii elegantisti. Taaskaan laturi ei saa syödä akkua tyhjäksi, kun radiopöydästä kytkee pääsähköt pois. Pieni akku ja pieni laturi korvaavat suuren ja kalliin teholähteen.

akkulaturi12.jpg

Kuva 2 Lineaariteholähde ei sovi säädettävään akkulaturiin. Sen häviöteho lämmittää liikaa

Suuren virran säädössä perinteisellä sarjatransistorimenetelmässä tulee helposti paistinpannu. sarjatransistorille tulee suuret tehohäviöt : 5A *20 V = 100W. Tämä menetelmä ei ole hyvä akkulaturin teholuokkaan.

akkulaturi3.jpg

Kuva 3 Hakkuriteholähteessä häviöt ovat pienet, mutta laitteen rakenne turhan monimutkainen akkulaturiin

Toinen menetelmä eli hakkurivirtalähde on jo parempi vaihtoehto, mutta akkulaturiksi se on turhan monimutkainen. Akkulaturin ei tarvitse antaa hienoa säädettävää jännitettä tai virtaa sillä akku on hyvä suodatuslaite. Kun suunnittelin enimmäistä akkulaturiani vuonna 1976, ei hakkuriteholähteet olleet vielä olleet normaalisti käytössä teholähteinä. Periaate oli tunnettu, mutta käytännössä niitä ei tehty, koska laite edusti tuntematonta tekniikkaa. Amerikkalainen Robert Mammano kehitti Silicon General yhtiössä mikropiirin SG1524. Se mullisti teholähdesuunnittelun 1975. Piirit olivat kuitenkin vuonna 1976 vasta amerikkalaisilla sotilaskäytössä . Kuvassa 2 hakkurimikropiiritekniikan isä Bob Mammano tutkii enimmäistä hakkuteholähdettään tässä jo Texas Instrumentin paidassaan. Mammano muutti Silicon Generalilta pois ja perusti Unitrodelle hakkuriosaston. Texas Instruments osti Unitroden ja niin Mammano opettaa vieläkin hakkurisuunnittelua TI:n kursseilla.

akkulaturi4.jpg

Kuva 4 Robert Mammano keksi hakkumikropiirin ja toimii edelleen samalla alla Texas Instrumentsilla

1970-luvulla olin hyvin perehtynyt tehoelektroniikkaan ja erityisesti tyristorien käyttöön. Imatran terästehtaalle suunnittelin ja rakensin Suomen ensimmäisen tyristoreilla toimivan loistehokompensointilaitteen. Sen teho oli 30MVA ja siinä oli 84 kappaletta 2000 A ja 1800 voltin tyristoria. Joka sekunti syntyy 100kW häviötehoa, joka pitää siirtää Imatran koskeen. Näitä samantapaisia staattisia loistehokompensaattoreita on rakennetaan edelleen ympäri maailmaa suomalaisin voimin. Tämä Imatran kompensaattori oli näiden kaikkien laitteiden äiti. Sen jälkeen niitä on osattu rakentaa. [2]

akkulaturi5.jpg

Kuva 5 Tyristori säätöisen laturin peruskytkentä

Ei siis ollut ihme, että valitsin tyristorin säätölaitteeksi.
Kuvassa 5 on tyristorikäyttöisen akkulaturin periaatekuva. Tyristori sytytetään ja tahdistetaan erittäin yksinkertaisella piirillä. Monille saattaa olla kuvan 2N2626 UJT-ransistori olla täysin tuntematon. Tämä transistori toimii useimmiten vapaasti värähtelevänä oskillaattorina. Laitteessa on kaksi kantaa B1 ja B2 ja yksi emitteri E. UJT-toimii vähän saman lailla kuin Neon- lamppu. Kun jännite Emitteri-B1-välillä kasvaa, emitterin ja B1 välinen impedanssi romahtaa ja purkaa latauskondensaattorin C1. Purkaus näkyy B1 vastuksessa pulssina, joka sytyttää tyristorin sen hilan kautta. Latausvastus R1 ja potentiometri P1 määräävät yhdessä kondensaattorin C1 kanssa aikavakion kuinka paljon sinipulssin alusta aikaa viivästetään ennen tyristorin liipaisua. Mitä pidempi viiveaika on, sitä lyhyempi aika tyristorille jää olla johtavana. Tyristori sammuu jokainen puolijakso, kun sen läpi ei kulje tiettyä pitovirtaa. Pienillä tyristoreilla pitovirta on noin 50mA. UJT-tranistorin kanta B2 ei osallistu toimintaan muuta kuin määräämällä emitterin liipaisujännitteen. Jos B2 jännite on pieni liipaisua ei tapahdu lainkaan. Tätä ominaisuutta käytetään tässä akkulaturissa hyödyksi.
Kun tyristori syttyy sen läpi kulkee sinijakson loppuosan ajan virta, joka riippuu maksimivirrasta Ip ja syttymiskulmasta alfa. Ip on virta joka menisi piirissä, jos tyristorin tilalla olisi tavallinen diodi.

Syttymiskulma alfa on sähköinen asete alueella 0- 180 astetta. Täyden 0-100 % säätö vaatisi 10ms viiveen. Suurilla syttymiskulmilla ei kuitenkaan ole paljonkaan merkitystä tehosäädön muutamat alkumillisekunnit ovat ratkaisevia, sillä kaava on erittäin epälineaarinen syttymiskulman suhteen.

Kuvan 5 mukaan tyristorin anodi on kytketty suoraan laturin metalliseen runkoon ilman eristimiä. Alkuperäisessä laturissa käytin AEI:n [2] 16 A pulttimallista tyristoria CR16, koska sellainen löytyi testipöydältäni. Suurivirtaiset tyristorit ovat edullisia, joten tyristorin virran kestossa ei pidä säästää. Tyristori toimii samalla tasasuuntaajana, joten erillistä tasasuuntaajaa ei välttämättä tarvittaisi Ohjauspiirille tarvitaan pieni suojadiodi D1, koska muuntaja antaa vaihtojännitettä.
Peruskytkentä toimii, mutta ei ole optimaalinen. Puoliaaltotasasuuntaus ei ole hyvä hyötysuhteeltaan. Se tekee muuntajaan tasavirtakomponentin ja pienentää käytössä olevaan tehoa.

akkulaturi6.jpg

Kuva 6 Tyristorilaturin sähköinen kytkentä

Lopullisessa versiossa, kuva 6, muuntajan toisiossa on periteinen Graetz kokoaaltosilta. Graetz kannattaa tuntea. Se nimi tarkoittaa muutakin kuin televisio- ja radiomerkkiä. Münchenin sähkötekniikan professori Leo Graetz käytti neljää tasasuuntaajaa tehdessään vaihtosähköä tasavirtaverkosta. Leo Graetz on tunnettu myös sähkötekniikan oppikirjastaan, jos otettiin 22 painosta. Kirja julkaistiin myös suomeksi vuonna 1922, kunhan sisällissodasta oli selvitty. Kirja on kunniapaikalla minunkin kirjahyllyssäni.
Tasasuuntaussillasta tulee kuitenkin lisähäviöitä. Jos käytettävissä on muuntaja, jossa on kaksi käämiä, tarvitaan vain kaksi tasasuuntaaja diodia ja diodihäviöt puoliintuvat. Kokoaaltosillan häviöt ovat 2*0,7V*5A = 7W ja puoliaatosillalla häviöt laskevat 3.5W:iin. Tyristorin häviöt täydellä virralla ovat myös noin 3.5W. Akkulaturin mitattu hyötysuhde täydellä virralla on noin 80% ja se laskee lineaarisesti tehon mukaan. Siis aika hyvä laitteeksi, jossa on säädettävä virta. Vaikka laite ei ole perinteinen hakkuri, virran kytkeminen tapahtuu verkkojännitteen eri vaiheessa ja laite toimii hakkuriperiaatteella.

Ylilataussuoja

akkulaturi7.jpg

Kuva 7 Akun ylijännitevalvontapiiri Siirtää jännitetiedon opton avulla toiseen potentiaaliin.

Ylilatauksen eli akun ylijännitteen mittauspiiri on hieman hankala koska akun molemmat navat kelluvat ohjauspiirin maahan nähden. Optoeristimellä akun jännite signaali saadaan siirrettyä toiseen potentiaaliin. Kuvan 7 kytkennällä optoeristimen ledi alkaa johtaa kun akkujännite on noussut riittävän suureksi. Opton transistori kytketään UJT-transistorin B2-hilalle ja kun transistori johtaa se estää UJT-transistorin toiminnan. samalla piirin virta kasvaa ja ylijänniteledi ilmaisee akun latauksen päättymisen. Akun ollessa huonossa varaustilassa latausjännitteessä näkyy latausvirran aiheuttamat jännitepulssit. Mittauspiirin jännite pitää suodattaa kondensaattorilla C3, jotta nämä pulssit eivät aiheuttaisi latauksen ennenaikaista katkeamista. Jos tätä laitetta käytetään muuhun kuin akun latauslaitteena, ylijännitesuoja voidaan kytkeä pois käytöstä kytkimellä.

akkulaturi9.jpg

Kuva 9 Akkujännitteen mittaus verkon nollapisteessä antaa tarkan mittauksen akun jännitteestä

Akkujännitteen valvonta nollapisteessä kuvan 9 mukaan poistaa akun valvonnan ongelman. Kuitenkin suodattamalla akkujännitettä kondensaattorilla antaa yhtä hyvän mittaustuloksen ja yksinkertaisemmin. Vielä jää yksi ongelma: akun mittauspiiri purkaa akkua. Sitähän hyvä akkulaturi ei saa tehdä.

akkulaturi10.jpg

Kuva 10 Akkujännitteen mittaus optoeristimen avulla siirtää kelluvan akun jännitetiedon toiseen potentiaalin.
Tämä ongelma voidaan ratkaista kahdella tavalla. Jos mittauspiirissä, kuva 10, on sarjassa 12V zenerdiodi, se estää akun purkautumisen yhdessä opton 1.3 voltin toimintajännitteen kanssa Siis jos jännite on alle 13.2V, mittauspiiri ei toimi.
Toinen robustimpi tapa on käyttää pientä reedrelettä, joka toimiin vain kun verkkojännite on päällä.
Näin on tehty lopullisessa piirikaaviossa kuva 8

akkulaturi11.jpg

Kuva 11 lopullinen akkulaturin piirilevyn kytkentä

Ylivirtasuoja

Ylivirtasuojaa ei periaatteessa tarvita missään hyvin suunnitellussa laitteessa, jota käyttävät älykkäät ihmiset. Näitä kahta elementtiä ei kuitenkaan ole yleensä saatavilla. Ensiöpuolen sulake on tavallinen 1A hidas sulake. Sulake, verkkoliitin, merkkilamppu ja päävirtakytkin kannattaa hankkia yhtenä komponenttina ja asentaa takaseinään.
Tosiopuolen suojana olen käyttänyt termistä sulaketta. Kun se laukeaa, sen voi nollata nappia painamalla. Itse en ole joutunut käyttämään kumpaakaan sulaketta koskaan, mutta laturikaan ei ole ollut koskaan lainassa. Muistaakseni tavara ei lainassa parane. Laturilla on kuitenkin ladattu monia vieraita autoja, mutta olen ollut aina konemestarina.

Kuva 11 Lämpösulake ja kojeliitin, jossa on sulake, verkkokytkin ja merkkivalo

Verkkomuuntaja

Itse käytin yksikäämistä muuntaja ja kokoaaltotasasuuntaaja. Koska alkuperäisessä muuntajassa oli 12 voltin käämi, lisäsin itse yhden kerroksen lisää käämi, jotta lataus onnistuisi.
Jos muuntajan joutuu ostamaan, Multicompin valmistama 2*20V toisiokäämeillä varustettu malli on edullinen. Tällä muuntajalla voi käyttää vain kahta tasasuuntaajadiodia ja häviöt ovat pienempiä
Sen mitat ovat 89*68*75 mm ja paino on 1.6 kg. Muuntajassa on valmiit korvakkeet joista se on helppo kiinnittää laturin runkoon. Jos käyttää kokoaaltotasasuuntaaja, käämit laitetaan rinnakkain.

¨akkulaturi12.jpg

Kuva 12 Verkkomuuntaja 230/2*20V 100W toisiokäämit voi kytkeä rinnakkain tai käyttää kahta käämiä ja kahta diodia tasasuuntaajana

Siltatasasuuntaaja

Tasasuuntaajan virrankestossa ei kannata säästä, jos aikoo tehdä akkulaturin, joka kestää isältä pojalle. Kuvan mukainen 25A:n diodisilta, sopii molemmille muuntajatyypeille. Se on helppo pultata metalliseinään.

akkulaturi13.jpg

Kuva 13 Siltatasasuuntaajan voi pultata takaseinään samoin TO-208AA mallisen pultti tyristorin. Pulttimallinen IR:n tyristori 2N690 maksaa vain 0,21 euroa. Perinteiset TO-220-kokoinen ja suurempi TO-218 koteloinen tyristori sopivat suoraan piirilevylle. Molemmille malleille on tehty omat reiät piirilevylle.

akkulaturi14.jpg

Kuva 14 Pieni tyristori toimii ylijännitemuistina.

Kotelo

akkulaturi15.jpg

Kuva 15 Alkuperäisen akkulaturin rakennekuva

Kuva 16 Alkuperäinen kotelo tehtiin alumiinista ja maalattiin mustaksi. Kotelon levityskuvassa on nyt uudenmallinen IEC kojeliitin.

akkulaturi31.jpg

Tein kotelon kahdesta
1.5 mm alumiinisesta U-muotoisesta palasta. Mitat olivat 150*150*100 mm. Sivuseinille taivuttelin vielä 10mm kiinnityspalat, joista osat oli helppo ruuvata yhteen. Tein 3mm kierteet alumiiniin, mutta peltiruuvit olisivat toimineet yhtä hyvin.
Jos haluaa käyttää valmista metallikoteloa kuvassa 17 on sopiva Hammondin valmistama rautakotelo. Reikien tekeminen rautakoteloon vaatii hyvän poran. Vastaava alumiinikotelo on kuvassa 18. Sitä on helpompi työstää

akkulaturi16.jpg

Kuva 16 Kotelo on maalattu mustaksi komponenttien asennuksen jälkeen.

Tein kotelon kahdesta 1.5 mm alumiinisesta U-muotoisesta palasta. Mitat olivat 150*150*100 mm. Sivuseinille taivuttelin vielä 10 mm kiinnitys palat, joista ostat oli helppo ruuvata yhteen. Tein 3mm kierteet alumiinin, mutta peltiruuvit olisivat toimineet yhtä hyvin.
Jos haluaa käyttää valmista metallikoteloa kuvassa 17 on sopiva Hammondin valmistama rautakotelo. Reikien tekeminen siihen on rautakoteloon vaatii hyviä poria. Vastaava alumiinikotelo on kuvassa 18. Sitä on helpompi työstää

akkulaturi17.jpg

Kuva 17 Hammondin metallikotelo

Kuva 18 Metcasen alumiinikotelo on helppo työstää.

Latausliittimet

Latausliittimet pitää olla eristettyjä. Reikä on 4mm, jolloin vakiomalliset banaaniliitimet sopivat hylsyihin. Akkuliittimet pitää olla kohtuullisen suuria, että ne pysyisivät paikallaan. Laite tarvitse maadoitetun verkkojohdon, vedon poiston ja tietysti ruuveja ja muttereita.

akkulaturi19.jpgakkulaturi18.jpg

Kuva 19. Banaaniliitimen ja akkuliittimet kannattaa valita järeimmästä päästä

akkulaturi20.jpg

Kuva 20 Auton latausvirtamittari on edullinen, mutta pienemmän virta-alueen, esim. 5-8 ampeerin mallia, on vaikeaa löytää. Omatekoinen virtamittari tulee mieleen.

Piirilevy

Itse tein pienen piirilevyn reikälevylle ja se on toiminut 30 vuotta. Valmiille piirilevylle tehty kytkentä on kuitenkin helpompi saada toimimaan, vaikka itse sähköistä toimintaa ei käyttäjä oikein ymmärtäisikään.

akkulaturi21.jpg

Kuva 21 Piirilevyn osien asennuskuva on yksinkertainen

akkulaturi22.jpg

Kuva 22 Komponenttien asennuskuva piirilevylle

akkulaturi23.jpg

Kuva 23 Piirilevy on yksipuoleinen ja helppo tehdä . Kuvassa piirilevy peilikuvana

akkulaturi24.jpg

Kuva 24 Alkuperäinen akkulaturi on edelleen käytössä

Akkulaturin valmistus

Ensin kannattaa hankkia muuntaja ja hankkia sen mittojen mukaan kotelo. Mittari ja kotelo ovat seuraavaksi hankintalistalla. Mittaria, muuntajaa, verkkoliitäntää ja liittimiä varten tehdään kiinnitysreiät. Kytke keittiön ovenkahva laiteen kansiosaan ja kumitassut ruuveilla kiinni pohjaosaan, liimaus ei ole tarpeeksi kestävä tätä laitetta varten.
Jos laite on tehty alumiinista, etulevyn voi hioa hienolla hiomapaperilla kiiltäväksi ja lakata. Takalevy maalataan mustaksi spray-maalilla ennen osien lopullista kiinnitystä. Piirilevyn voi kiinnittää alumiinisella kulmapalalla laturin pohjaan. Kun johdotus on tehty, seuraa testaus. Käytä yleismittaria ja akkua testaukseen. Kokeile virransäätöä, mittaa jännite ja säädä ylijännitelaukaisu 16.2 volttiin. Tarkasta, että ylijännite led toimii. Testaa toiminta eri toimintatavoilla. Tarkkaile kotelon ja muuntajan lämpötilaa kun lataus toimii täydellä teholla. Itse sähköinen kytkentä ja testaus on äärimmäisen yksinkertainen. Suurin vaikeus on löytää kunnollinen kotelo, mittari ja muuntaja. Laita kansi kiinni ja laite on käyttövalmiina seuraavillekin sukupolville.

Viitteet

[1]. Pekka Ritamäki Optoelektroniikan sovellus Automaattinen akkulaturi Tekniikan maailma-lehti, heinäkuu 1976

akkulaturi25.jpg

Kuva 25 AEI logo

[2] AEI on nykyään Dynex Semiconductor Ltd. AEI on tehnyt 50 vuotta tehopuolijohteita Lincolnissa, Englannissa. Tehopuolijohteiden tietotaitoa löytyy Lincolnissa, mutta myös historiaa. Kun kävin ensimmäisen kerran Lincolnissa, minut ohjattiin kaupungin parhaaseen hotelliin. Se oli rakennettu 1200-luvulla ja näytti linnalta. Vastaanottohuoneessa paloi suuri avotakka, jonne 90-vuotias vastaanottovirkailija lisäsi hiiltä silloin tällöin. Minulle annettiin huoneen avain ja kuuma vesipullo. Otin kuumavesipullon kun muutakaan vuoteen lämmikettä ei ollut tarjolla. Huoneessa paljastui kuumavesipullon tarkoitus. Se oli huoneen ainoa lämmityslaite. Ikkunan karmeissa oli puolen sentin raot ja hyinen tammikuun ilma pääsi vapaasti kiertämään. Seuraavilla kerroilla otin hieman huonomman, mutta uudemman hotellin.

akkulaturi26.jpg

Kuva 26 AEI tekemä tyristori moduuli

Itse AEI:n tekemät tyristorimoduulit toimivat paremmin kuin paikallinen hotelli. Ensimmäisessä moduulissa oli 84 jääkiekkotyristoria. Toisessa Sambiaan tehdyssä laitteessa oli 252 jääkiekkotyristoria.

akkulaturi27.jpg

Kuva 27 Tyristorikytkin hieman isommille virroille

[3]Professori Leo Graetz kirjasta tehtiin 23 painosta “Electricity and Its Applications”, suomeksi Sähkö ja sen käyttö 1922, ja “Handbook of Electricity and Magnetism” osat 1-5 kirjat kuluivat sähkömiesten käsissä.

akkulaturi28.jpg

Kuva 28 Leo Graetz teki hyviä sähkötekniikan kirjoja. Niitä kannattaa lukea edelleenkin vaikka ensimmäinen painos oli vuodelta 1915.
[4]

Kolumbuksen munan tarina.

Kolumbus oli löytänyt Amerikan ja häntä juhlittiin suurena sankarina. Kolumbuksen kunniaksi järjestettiin taas eräät päivälliset. Monet päivällisellä sanoivat Kolumbukselle, että kaikkihan sen tietävät, että maa on pallonmuotoinen ja siksi kuka tahansa olisi voinut tehdä matkan ja löytää Amerikan ja vähättelivät Kolumbuksen ansiota. Kolumbus näytti pöydällä olevaa munakuppia ja pyysi vieraita laittamaan munan pystyyn pöydälle. Kaikki yrittivät, mutta eivät onnistuneet. Kolumbus iski munan pöytään, ja silloin se jäi pystyyn. Tarinan opetus on siinä, että kun joku keksii asian ensimmäisenä, muille se on helppoa kopioida.

akkulaturi29.jpg

Kuva 29 Kristoffer Kolumbus

akkulaturi30.jpg

Kuva 30. Piirilevyn osat

[5] Lyijyakun varaustila 26,7 C lämpötilassa:

Jännite[V] varaustila[%] tiheys [g/cm3 ]
12.65 100 1.265
12.45 75 1.225
12.24 50 1.190
12.06 25 1.155
11.89 0 1.120

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License