вторник, 4 ноября 2014 г.

Доработка батареи дрели-шуруповёрта. Зарядное устройство, балансировка, индикация состояния


Продолжаем доработку батареи, начатую ранее. Осталось решить вопросы зарядки и индикации состояния. Напомню, что выбор деталей и способа доработки сильно ограничен бюджетом, поэтому вместо оптимальных решений приходится идти на компромиссы.

Модификация зарядного устройства

Старое зарядное устройство состоит из двух частей - блока питания и зарядной станции-стакана с двумя индикаторами - "питание" и "зарядка". Первый индикатор горит при подключении стакана к питанию, второй - во время зарядки. Теоретически, второй индикатор должен гаснуть после окончания зарядки, но из-за особенности питания горит всегда, когда в стакан вставлен аккумулятор.


Блок питания обозначен как источник постоянного напряжения на 18 В. На самом деле он состоит из понижающего трансформатора и диодного моста, на выходе - пульсирующее напряжение (половинки синусоиды) с амплитудой 25 В. Не знаю, чем руководствовался производитель, но такое питание вряд ли подходит для зарядки даже оригинальных батарей. Возможно, потому они так быстро и сдохли, всего за год.

На плате выпрямителя внутри БП предусмотрено место для выпрямляющего конденсатора, но он не установлен. Заявленный максимальный выходной ток 400 мА, и это тоже не кажется правдой, даже на таком токе трансформатор заметно нагревается, до температуры не менее 80°C, судя по расплавлению термоклея, который я использовал для дополнительной фиксации трансформатора внутри корпуса БП.

Правильно было бы купить новый блок питания, но из-за экономии решил оставить старый, реальная эксплуатация покажет, стоила ли этого экономия в 5 долларов (цена за БП 24 В / 1 А на eBay). Также необходимо было сохранить габариты всех комплектных устройств, чтобы они вставлялись в свои места в чемодане дрели.

Для зарядки лития мне здесь понадобится как минимум источник постоянного напряжения на 16,8 В или чуть меньше. Неправильное напряжение старого БП сыграло здесь на руку, теперь можно выпрямить напряжение с него до 25 В и подключить на выход понижающий преобразователь-стабилизатор напряжения.

Самый дешевый вариант зарядки, который, кстати, и реализован в старом зарядном устройстве, - это шунт для ограничения тока после источника напряжения. Но этот метод зарядки очень медленный, поэтому решил здесь улучшить параметры зарядки, установив почти полноценное зарядное устройство для лития с фазами CC (постоянный ток) и CV (постоянное напряжение) на основе стабилизатора напряжения с ограничителем тока, уже имеющегося в наличии. Но я всё равно прикупил ещё один такой же, так как подобный девайс оказался весьма полезен в электронном хозяйстве, цена вопроса - от $1,5 на eBay.

Конденсатор для выпрямителя взял из старых запасов на 100 мкФ / 63 В, ничего более подходящего по параметрам и размерам не было. Расчёты необходимой ёмкости не проводил, так как после этого выпрямителя будет ещё стабилизатор, а также из-за того, что высокая стабильность на выходе не нужна.

Максимальный ток пришлось ограничить 500 мА, при большем токе блок питания перегревается. Если захочется повысить ток, придётся купить новый БП  на 20-35 В и ~20 Вт. Помимо базового здесь будет реализован альтернативный вариант зарядки большим током, поэтому проблемы у меня здесь нет. Напряжение выставил на 16,4 В, чтобы уменьшить вероятность перезаряда отдельных ячеек литиевой сборки.


После долгого поиска места для установки платы стабилизатора в зарядный стакан пришлось отказаться от штатной индикации, а также перенести разъём питания на собственную плату-переходник (светлая плата на фото), фольгированный текстолит уже был в наличии. В этом проекте в первый раз использовал ЛУТ (лазерно-утюжная технология - перенос тонера рисунка, распечатнного на лазерном принтере на бумаге, с помощью утюга на фольгированный тестолит), получилось сносно. Все потенциометры также пришлось перенести. Просверлил дырочки в корпусе стакана для светодиодов на плате стабилизатора, чтобы была хотя бы минимальная индикация. На фото выше зелёная плата - старая, положил рядом для сравнения.

Плата греется не сильно, но всё равно добавил пассивное охлаждение для снижения рисков. К задней части платы с помощью теплопроводящего клея приклеил маленький алюминиевый радиатор, для надежности потом закреплю его дополнительно. В этом проекте повсеместно используется термопластичный клей, который начинает плавиться уже при 80°C, поэтому пытаюсь делать охлаждение там, где это возможно. Ровно под этим радиатором в корпусе стакана есть вентиляционная решетка, что пришлось кстати. В верхней части стакана также есть подобные прорези, циркуляция воздуха здесь должна получиться достаточной.

Таким образом, получил в корпусах старого БП и зарядного стакана зарядное устройство для литиевой сборки 4S с максимальным током 500 мА. Предполагаемое время зарядки - 3-4 часа, примерно как у старого зарядного со старыми батареями. Окончание заряда можно определить по одному из индикаторов преобразователя, он гаснет при падении зарядного тока примерно до 20 мА (настраивается, но это минимум), что для этой батареи оказалось достаточно маленьким значением, чтобы оно достигалось почти в самом конце зарядки, при зарядке более высокоомной батареи падение тока до 20 мА может происходить намного раньше. Также можно проверить напряжение на самой батарее, об этом далее.

Эта зарядка вполне подходит и для старой батареи на никеле, вторая из комплекта осталась нетронутой, но из-за сильно возросшего у неё внутреннего сопротивления время полной зарядки будет существенно больше, что практически исключает полезность этого варианта, учитывая также и то, что никель приходится заряжать перед работой.

Зарядка с балансировкой

На самой аккумуляторной сборке уже есть балансировочный выход, осталось вывести его наружу. Некоторые просто вырубают дыру в корпусе батареи, чтобы можно было вывести шнурок наружу, но мне такой вариант не нравится, да и балансировочный кабель у сборки всё равно слишком короткий. Поэтому решил установить на корпусе батареи разъём. Здесь нужны гнезда и разъёмы на 5 контактов, выдерживающих не менее 1 А, лучше 2-3 А, меньше просто не интересно.

Можно было поставить коннекторы DIN (как у старых магнитофонов или клавиатур AT) или Mini-DIN (как у PS/2). Отказался от этой затеи, так как ни в собственных залежах, ни на eBay не были найдены необходимые компоненты по адекватной цене.

USB не подходит по количеству контактов и/или максимальному току. Есть варианты с USB 3.0 или, даже лучше, 3.1, но коннекторов либо ещё нет в продаже, либо они слишком дорогие.

Следующий кандидат - коннекторы FireWire (IEEE 1394), точнее FireWire 400. Шесть глубоко посаженных, слегка подпружиненных контактов, конструкция почти исключает короткое замыкание. Просто идеально, этот вариант и выбрал. Так как теперь этот стандарт уже раритет, гнёзда вышли недёшево, пара обошлась в $1,5, заказал. Вилки в продаже вообще не нашёл, понадеялся на переделку какого-нибудь кабеля FireWire.


Пока коннекторы были в пути, начал перебирать свои старые провода FireWire и искать по магазинам новые. Оказалось, что все найденные кабели имеют проводку толщиной всего 28-30AWG, в лучшем случае только пара проводов 22AWG. Всю проводку от батареи к зарядному изначально планировал делать проводами 22AWG, поэтому пришлось отказаться от этого замечательного варианта. Стандарт ограничивает максимальный ток значением 1,5 А, что объясняет использование таких тонких проводов даже в хороших кабелях.


Наш победитель - коннекторы XH2.54-5P, подобные используются для большинства балансировочных устройств и аккумуляторных сборок. Конечно, эти коннекторы были самым очевидным вариантом, но они довольно хрупкие, а также их слишком легко можно закоротить, поэтому сначала пытался найти альтернативу. Они довольно дёшевы, за те же $1,5, что отдал только за пару гнёзд FireWire, я взял 20 наборов XH2.54-5P (гнездо + вилка + пины).

Для установки в корпус пришлось использовать пару переходников (можно было бы и один, если бы текстолит был двухсторонний, но такого у меня сейчас нет). Крепление к корпусу сделал на паре скобок из толстого медного провода, впаянных в ту же плату, что и разъём. Изначально хотел крепить болтами с гайками, но места под такое крепление внутри батареи не оказалось. Так как разъём выступает за пределы корпуса, по плану даже намного больше, чем получилось в результате, пришлось искать место там, где между батареей и дрелью наибольший зазор. Дополнительно укрепил термопластичным клеем.



Проверка показала, что такой разъём здесь вполне уместен. Установка гнезда в закрытую в рабочем положении часть батареи уменьшает вероятность его замыкания. Но я всё равно случайно замкнул его, в итоге выжег пару дорожек на одной из плат-переходников, само гнездо повредилось лишь слегка, менять на новое не стал.

Далее нужно собрать кабель для подключения к балансировочному зарядному устройству, в моём случае - поддельному Imax B6. Это зарядное устройство помимо подключения по балансировочному кабелю требует также подключение и к силовому разъёму, позаимствовал разъём молекс для этого у одного из ненужных кабелей из комплекта B6.



Сразу проверил зарядку по новому кабелю. Оказалось, что одна из паек провода к пину XH2.54 не получилась, переделал. Далее всё заработало, как и задумывалось.

Индикация заряда

По-хорошему, здесь лучше использовать звуковую сигнализацию о разряде любой из ячеек до критического уровня (например, 3 В), активируемую прямо в процессе работы, чтобы не отвлекаться на проверку батареи. Такие устройства продаются, и довольно недорого, подключение его через кнопку дрели в сети можно найти. Но это всё равно деньги, а я решил экономить, чтобы был хотя бы минимальный экономический смысл в доработке батареи.


Поэтому я воткнул сюда простой маленький вольтметр, включаемый по отдельной кнопке. Возможно, когда-нибудь я заменю или переделаю его на сигнализацию, но пока буду сам следить, чтобы общее напряжение не опускалось ниже 13,5-14,0 В. Либо можно добавить сюда по компаратору на ячейку с общей пищалкой, дешево и достаточно (дополнение: честно говоря, до сих пор не понял, как это можно сделать просто и дешёво).

Обратите внимание на расположение индикатора и кнопки. Я - правша, поэтому мне оказалось удобнее расположение на левом боку. Передняя сторона также выбрана не случайно - она реже перекрывается правой рукой или одеждой. Кнопка расположена подальше от экрана для того, чтобы при её нажатии даже в толстых перчатках не перекрывался экран.

С помощью этого вольтметра также можно определить окончание зарядки. Если проверять напряжение прямо во время зарядки, напряжение быстро дойдёт почти до максимума (здесь 16,4 В) и дальше будет очень медленно к нему приближаться, и только при полной зарядке оно с ним совпадёт. Чтобы оценить действительный уровень заряда, придётся вытащить батарею из стакана.

Вот так в итоге выглядит батарея. Шуруп сверху держит площадку с контактами.


Итого

Посчитаем, что получилось в деньгах, цены в рублях. Если деталь взята из запасов, показана примерная рыночная стоимость.
  • аккумуляторная сборка: $15
  • конденсатор для выпрямителя БП: $0,3
  • плата стабилизатора CC CV: $4 (можно найти от $1,5-2,0)
  • кусочек фольгированного текстолита, примерно 50*70 мм (половина ушла на ошибки и резерв): $0,3
  • провода 22AWG, около 1 м: $0,3
  • 2-3 набора коннекторов XH2.54-5P (считаю только 2-3, т.к. остальным разъёмам я точно найду применение): $0,3
  • маленький вольтметр: $1,8 (можно найти от $1,0)
  • кнопка включения вольтметра: $0,15
  • свёрла (убил парочку в процессе): $0,40
  • прочие расходные материалы: $0,30
Итого примерно $21. Переделка второго аккумулятора при тех же расценках обошлась бы примерно в $18. Итого около 40 долларов за комплект. Это почти цена новой, но самой дешёвой дрели-шуруповёрта с двумя литиевыми аккумуляторами. Я решил не делать вторую батарею, поэтому выгода у меня получилась неплохая.

Для более долгой жизни батареи и более быстрой и безопасной зарядки также потребуется зарядное устройство с балансировкой, это ещё как минимум 15 долларов, что снова возвращает к минимальной выгоде около 10 баксов, однако вряд ли вы получите функцию балансировки в дешевой аккумуляторной дрели из магазина. Мне подсказали, что и на дорогих профессиональных моделях эта функция также может отсутствовать, и мне неизвестно, есть ли на рынке такие модели вообще.

Мне балансировщик обошёлся в $6, но это исключение. Суммарно на доработку я затратил 21 + 6 = 27 долл. и получил инструмент, который прослужит мне еще пару-тройку лет, всегда готовый к работе. Без этой переделки нужно было заряжать аккумулятор пару-тройку часов, чтобы закрутить 10-20 саморезов, несерьёзно. Помимо этого, я наконец освоил ЛУТ, поработал с мощным компактным аккумулятором, и вообще получил +100 к опыту.

Дополнение от 1 марта 2016 г.

Переписал текст про цены и выгоду, перевёл все цены в доллары. С дорогим рублём выгода была очевидна, сейчас уже не очень.

См. также

4 комментария:

  1. Skubr, не пойму а зачем вы переделывали зарядное, если сделали разъём для Imax-a? Тоесть для двух способов зарядки?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Да. Простой способ оставил/сделал для полевых условий, когда отдельное зарядное таскать не хочется.

      Удалить
  2. Понятно. Я бы не рискнул заряжать без побаночного контроля/балансиров просто источником CC/CV. И забыть выключить можно зарядку.....

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Я снизил максимальное напряжение заряда до 16,4 В как раз для снижения вероятности проблем.

      Удалить