Strona główna Labolatorium Bank energii dla transceiverów QRP

Bank energii dla transceiverów QRP

Temat zasilania w terenie powraca bardzo często na łamach grup dyskusyjnych, gdzie rozmawiają zwolennicy wędrówek z radiem. Rozwiązań jest bardzo wiele. Dzisiaj chciałbym zaprezentować ciekawy pomysł i wykonanie Marcina SP5XMI, które dedykowane jest dla zwolenników pracy mocą nie wyższą niż 20W.

Założenia projektu:

Opracowanie prostego do zbudowania banku energii wykorzystującego popularne i tanie podzespoły, przeznaczonego do eksploatacji terenowej, praca z transceiverami QRP takimi jak Yaesu FT817/FT818 lub Xiegu G90.

Wymagania eksploatacyjne

  1. Napięcie pracy właściwe dla transceivera QRP (od 10V do 15V).
  2. Pojemność zapewniająca:
    min. 5h pracy transceivera QRP klasy FT817 przy dość znacznej aktywności (moc 5W, 700mA przy odbiorze, 2A przy nadawaniu, stosunek nadawanie/odbiór jak 1:2) lub
    min. 3h pracy transceivera Xiegu G90 przy rzadszym nadawaniu (moc 20W, 700mA przy odbiorze, 6A przy nadawaniu, stosunek nadawanie/odbiór 1:4).
    min 8h pracy G90 lub FT817 na nasłuchu.
  3. Wbudowany układ zarządzania akumulatorami, by minimalizować konieczność używania dedykowanych ładowarek z balanserem.
  4. Wbudowany wskaźnik naładowania baterii
  5. Wydajność prądowa co najmniej 5-8A.
  6. Możliwość ładowania bezpośrednio z baterii słonecznej prądem nie mniejszym niż 1A
  7. Możliwość szybkiego ładowania (naładowanie w czasie nie dłuższym niż 4h).
  8. Uniwersalne złącza,
  9. Wyłącznik zasilania, wyłącznik wskaźnika baterii,
  10. Niski koszt zakupu, łatwość eksploatacji, brak płynnego elektrolitu,
  11. Niskie samorozładowanie.

Koncepcja

Sumaryczna pojemność – nie mniej niż 10Ah przy napięciu 12V. 12 sztuk akumulatorów Li-Ion 18650 firmy NCR model MH12210, kupionych jako używane (pojemność deklarowana nowej baterii: 3400mAh, zmierzona baterii używanej: 3090-3230 mAh). Akumulatory połączone grupami po cztery sztuki, trzy grupy szeregowo. Napięcie wyjściowe – 12,5V w stanie pełnego naładowania, 10V w stanie pełnego rozładowania. Napięcie to pokrywa się z potrzebami najpopularniejszego TRX QRP (znacząca większość FT817nd od 10V dysponuje pełną mocą).

Wbudowany moduł zarządzania akumulatorami jest połączony z balanserem, który zabezpiecza akumulatory przed ładowaniem do napięcia przewyższającego dopuszczalne oraz przed nadmiernym rozładowaniem.

Wbudowanie modułu BMS umożliwia bezpośrednie ładowanie banku energii z baterii słonecznej lub dowolnego zasilacza regulowanego. Moduł ten zapewnia ochronę przed zwarciem oraz zarządzanie ładowaniem poszczególnych grup ogniw.

Ostatecznym zabezpieczeniem jest bezpiecznik płytkowy 25A umieszczony między baterią akumulatorów a modułem BMS, na zacisku dodatnim. Połączenia dwóch środkowych sekcji baterii z modułem BMS są zrealizowane przewodem o małym przekroju, dodatkowo zabezpieczonych bezpiecznikiem 2A wlutowanym bezpośrednio przy zaciskach akumulatorów.

Wyjście z modułu BMS jest doprowadzone do wyłącznika głównego, a następnie do złącza wyjściowego. Do tego złącza przez drugi wyłącznik jest dodatkowo włączany woltomierz.

Rysunek 1: Schemat ideowy banku energii

Realizacja

Dobrać akumulatory w czwórki o możliwie zbliżonej pojemności – jeśli jest ona znana. Pojemność można ocenić w przybliżony sposób za pomocą prostego testu – naładować każdy z akumulatorów do tego samego napięcia (np. 4.2V w ładowarce do akumulatorów Li-Ion), rozładować przez rezystor 4,7Ω 10W (prąd około 1A) przez godzinę, a następnie zmierzyć napięcie akumulatora i pogrupować akumulatory o zbliżonym napięciu. Nie jest to najlepszy sposób oceny pojemności akumulatorków, ale nie wymaga korzystania z ładowarki procesorowej. O wiele dokładniejszy sposób zakłada dokonywanie pomiarów natężenia prądu przy rozładowaniu od pełnego naładowania do 3V (jeden pomiar co 5 minut), a następnie wyliczenie sumarycznej pojemności. Jest to jednak dość pracochłonne zajęcie.

Dobrane akumulatory należy połączyć w grupę za pomocą zgrzewania lub lutowania. Przy lutowaniu używać lutownicy o dużej mocy. Oczyścić złącza szczotką drucianą, użyć topnika do złączy niklowych, lutować bardzo szybko. Pierwszą czwórkę akumulatorów wpasować w obudowę, a następnie po połączeniu wszystkich ze sobą i z BMS przez bezpieczniki, wkleić na klej termoplastyczny. Oprawkę bezpiecznika płytkowego zamocować do obudowy klejem termoplastycznym. Moduł BMS umocować na klej do obudowy, wkładając przekładkę izolacyjną od strony akumulatorów. Przekładkę również zamocować klejem termoplastycznym. Z racji na wąską szczelinę, przekładka jest niezbędna.

Do płytki czołowej zamocować gniazda, przycinając nadmiar długości śrub. Zamocować woltomierz i oba przełączniki. Połączyć wg schematu. Nadmiar miejsca ponad akumulatorami wypełnić gąbką lub folią bąbelkową zamocowaną na klej termoplastyczny.

Rysunek 2: Bank energii w trakcie budowy. Akumulatory wstępnie wklejone na klej termoplastyczny

Ładowanie banku

Ładowanie z baterii słonecznej o mocy 20W i napięciu jałowym nie wyższym niż 20V –podłączyć baterię do banku, uwaga na biegunowość. Załączyć woltomierz, który powinien pokazać napięcie jałowe baterii. Załączyć wyłącznik główny, napięcie powinno spaść do poziomu odzwierciedlającego naładowanie akumulatorów. Proces ładowania trwa do czasu, aż układ BMS wyłączy ładowanie – wtedy woltomierz pokaże napięcie jałowe baterii słonecznej, wyższe niż 12,6V. Ładowanie z baterii słonecznej o wyższym napięciu może odbywać się sprawniej, jeśli między baterią a bankiem energii będzie pracować przetwornica step down ustawiona na napięcie wyjściowe 12,6V, najlepiej z ograniczeniem prądu wyjściowego.

Najprostszy sposób ładowania banku energii polega na zasileniu z zasilacza 13,2V przez diodę prostowniczą 10A/50V i dwa rezystory 1Ω/10W połączone równolegle. Ładowanie się zakończy, gdy woltomierz pokaże napięcie wyższe niż 12,6V. Dobierając odpowiednio rezystory można ładować bank energii praktycznie z każdego popularnego zasilacza do amatorskich transceiverów. Podczas ładowania, szczególnie na jego początku, na rezystorach wydzieli się sporo ciepła i trzeba to uwzględnić przy doborze rezystorów oraz przy eksploatacji. Prąd ładowania nie powinien przekraczać 3A.

Proces ładowania przebiega dwufazowo – najpierw odbywa się ładowanie główne, podczas którego wszystkie ogniwa są ładowane równocześnie, szeregowo. Ładowanie to zakończy się wtedy, gdy jedna z grup ogniw osiągnie maksymalne napięcie 4,25V. Następny etap polega na ładowaniu wyrównującym, w którym układ balansera równoważy prąd w taki sposób, by każda z grup ogniw była równomiernie naładowana. Proces ładowania wyrównującego odbywa się znacznie mniejszym prądem i trwa nieco dłużej. Można go przerwać lub zakończyć wcześniej, kosztem naładowania do

niepełnej pojemności (zazwyczaj około 92%). Ładowanie z użyciem rezystora szeregowego przy regulowanym napięciu bardzo ułatwia ten proces.

Dla lepszej elastyczności eksploatacji można użyć ładowania za pomocą przetwornicy step up, zasilanej ze źródła o niższym napięciu (np. port USB). W tym celu można użyć gotowego kabla zawierającego przetwornicę 5/12V. Ładowanie z portu USB trwa bardzo długo (niekiedy ponad dwie doby), gdyż odbywa się małym prądem (poniżej 500mA). Przetwornice te zazwyczaj pracują przy napięciu wyjściowym 12,2V, co wystarczy do naładowania do 80% pojemności.

Niektórzy amatorzy budują także układ ładowania z użyciem przetwornicy DC/DC z ograniczeniem prądu i napięcia. W tej roli sprawdzi się dobrze zasilacz od laptopa (napięcie rzędu 18V), z którego zasila się przetwornicę step down z ograniczeniem napięcia i prądu. Przetwornicę taką należy ustawić na napięcie wyjściowe 12,6V i ograniczenie prądu na 3A. Pomysł układu ładującego z użyciem przetwornicy będzie szczegółowo opisany razem z dużym bankiem energii, pracującym przy wyższym napięciu. W obecnie wykorzystywanej obudowie Z50B nie ma miejsca na przetwornicę do ładowania, powinna się zatem znaleźć poza obudową banku.

Jeśli przewiduje się dłuższą przerwę w korzystaniu z banku, najlepiej go rozładować do około 11V. Nie wolno rozładowywać banku do napięcia niższego niż 10V.

Lista materiałów

  • Akumulatory 18650 3000mAh NCR 18650 MH12210 – 12 sztuk moduł BMS z balanserem (oznaczenie producenta HX-3S-FL20) – 1 szt. obudowa Kradex Z50B ABS – 1 szt
  • gniazda bananowe izolowane – 1 kpl (2 sztuki, czarne i czerwone)
  • wyłącznik kołyskowy 8A dwutorowy – 1 szt.
  • miniaturowy wyłącznik kołyskowy 2A – 1 szt.
  • moduł miniaturowego woltomierza elektronicznego 3 cyfry (3-20V) – 1 szt.
  • bezpiecznik płytkowy 25A – 1szt
  • oprawka bezpiecznika płytkowego – 1 szt,
  • bezpiecznik miniaturowy do PCB 2A – 2 szt,
  • przewód linka miedziana w izolacji LgY-S 1 mm kw – 1m, przewód linka miedziana w izolacji 0,14 mm kw – 0,5m, pistolet klejarka na klej termoplastyczny + klej,
  • gąbka 10x15x2cm lub zwinięta folia bąbelkowa ze starych opakowań,
  • opcjonalne ładowanie z USB: kabel z przetwornicą USB do 12V plus odpowiednie gniazdo do zamocowania na płycie przedniej obudowy.

Prawa autorskie
Autor – Marcin Marciniak SP5XMI.
Licencja CC-BY-SA ( Creative Commons, dozwolone użycie komercyjne, wymagane wskazanie autora także przy publikacji zmodyfikowanego projektu).