KURŞUN-ASİT AKÜLER İÇİN ŞARJ AKIMI SINIRLAYICI

Akü şarj akımı sınırlandırma
Akü şarj devreleri favori konularımdan olduğu için bu blogda bu tür devrelerle sıklıkla karşılaşacaksınız. Akümülatörlerin şarj işlemi rastgele yapılmaz, belli prosedürler takip edilmelidir. Dolayısıyla internette ve piyasada, akümülatörlerin şarjı için çok çeşitli devreler, yöntemler ve ürünlerle karşılaşacaksınız. Bu yazımda da sizlere, şarj akımını optimize etmek için son derece basit ve uygulanabilirliği olan bir şarj devresi ile bu devrenin baskıya hazırlanmış PCB şemalarını pdf dosyası olarak paylaşacağım.

Aküleri, pilleri direkt olarak güç kaynağına bağlayamazsınız. Bu, hem güç kaynağına, hem de pil ya da bataryaya zarar verir. Çünkü bir yük olan pil ya da batarya, kaynaktan anlık olarak yüksek akım çekmek isteyebilir. Bu, güç kaynağını zorlarken, bataryanın da ömründen yer. Genellikle acemi ve işi bilmeyen kullanıcıların hep aynı hatayı yaptığını görüyoruz:

Yandaki resimde bazı kişilerin düştüğü klasik yanlışı görüyoruz. Resimde gördüğünüz akü, pil ya da pil bataryası da olabilir. Resimde temsilen konmuştur. Üstteki uygulamada bir adaptörün çıkışı, hiçbir koruma önlemi, akım sınırlama, otomatik kesme vb. yöntemler uygulanmadan doğrudan aküye bağlanmıştır. Altındaki uygulamada da bir transformatör, bir doğrultucu köprü, bazen de çıkışına bir kondansatör uygulanarak direkt olarak aküye bağlanmıştır. Her iki uygulama da yanlış ve sakıncalıdır; gerek güç kaynağının gerekse akünün sağlığı açısından. Burada bilmeniz gereken şey budur: bir pil ya da bataryayı direkt olarak kaynağa bağlamamalısınız!

Solda gördüğünüz bu ikinci resimde ise elde hiç imkan yoksa ve acilen şarja ihtiyaç varsa başvurulabilecek basit bir teknik gösterilmektedir. Resimde gördüğünüz sinyal lambası da aynen batarya gibi örnektir. Resimdeki oto aküsüne uygun olan lamba aslında bir far ampulüdür. Gördüğünüz sinyal lambası ile 12V-7Ah UPS akülerinizi ve motosiklet akülerinizi şarj edebilirsiniz. Bu yöntem, yukarıdaki yönteme göre çok daha uygundur. Her ne kadar ilkel bir yapıya sahip olsa da, bataryayı direkt olarak kaynağa bağlamamış oluyorsunuz. Lamba, flamanlı olmak zorundadır. Şayet akü ya da diğer tip piller, fazla akım çekmeye kalkışırsa, lamba içindeki flaman daha fazla kızarır. Daha fazla kızardıkça direnci büyür ve fazla akım çekilmesine mani olur. Ayrıca direnci büyüyen flamanın uçlarına düşen voltaj da büyüyeceği için, hem bataryayı, hem de aküyü korumuş olur. Böylelikle devredeki güç, otomatik olarak dengelenir. 

Yukarıda gördüğünüz flamanlı ampul ile akım sınırlama yöntemi, son derece ilkeldir. Her ne kadar imkanların çok kısıtlı olduğu durumlarda kullanılmasında bir sakınca olmasa da, bazı sorunları da vardır. En önemli sorun, doğru pil ya da batarya için doğru ampulü seçmektir. Bu ise standart ampullerle çok zor sağlanabilir. Örnek olarak elinizde nikel-kadmiyum ya da nikel-metalhidrit piller varsa, bunlar için ampul bulmak zordur. Eski tip fener ampulleri ile denenebilir ancak, kullanacağınız adaptörün de özellikleri çok iyi tesbit edilmelidir. İşte bu nedenle yukarıdaki ampullü yöntem ideal değil, günü kurtarmak için kullanılabilecek geçici bir yöntemdir.

Yukarıdaki ampul kullanılarak yapılan akım limitleme işlemi, piyasada bol bulunan ve ucuz voltaj regüle entegreleri ile de yapılabilir. Örneğin LM317 ya da ihtiyaca göre LM338 entegresi ile, yukarıdakine göre çok daha üstün ve daha duyarlı çalışan bir akım sınırlama devresi kurulabilir. Bu voltaj regüle entegreleri, usule uygun şekilde bağlandıklarında "akım regülatörü" olarak çalışırlar. Aşağıda, bir LM317 entegresi ile yapılmış bir akım sınırlayıcı devresi görüyorsunuz:

Akü şarj akımı sınırlandırma

Devrdeki entegre adı LM117 olarak görülse de aynı yapı benzer birçok entegrede kullanılabilmektedir. R1 direnci, "akım tesbit direnci - Rsense" olarak bilinir. Bu direnç, akımın ne kadar kısıtlanacağını tayin edecektir. ADJ. isimli bacak, direkt olarak çıkışa bağlanmıştır. Böylelikle eğer çıkışa bağlanacak yük, örneğin bir akü ise, bu bacak entegreyi akü voltajına kilitleyecektir. Çıkış bacağı ise direnç ile sınırlandırıldığından, eğer akü yüksek akım çekmeye meylederse, entegre ve direnç ikilisi buna izin vermeyecek, akımı dengeleyecektir. Rsense (R1) direnci aşağıdaki formül ile bulunur:

Çekilecek akım = Vref / R1

Ya da;

Gerekli direnç = Vref / Akım

Formüldeki Vref, entegrenin ADJ bacağı eksi hattına bağlandığında çıkıştan temin edilecek gerilimdir. LM317'lerde bu değer 1,25Volt'tur. Bir aküyü şarj etmek için 700mA şarj akımına gereksinim duyduğumuzu varsayarsak;

1,25 / 0,7 = 1,78 = 1,8 Ohm'luk dirence ihtiyacımız var demektir. Şarj gerilimini hesaba katmadık, çünkü entegre, kendini akü gerilimine kilitler demiştik. Akü doldukça entegre kendisini bu seviyeye uydurur ve şarj akımını da yukarıdaki örneğe göre 700mA(0,7A)'ya sabitler.

Bu yapının da sakıncası bulunmaktadır. Devrede voltaj regülasyonu yoktur. Bu da akü dolduğunda şarj işleminin devam edeceği anlamına gelmektedir. Akünün şarj işleminin devam etmesi, istenmeyen bir durumdur. Aşırı şarj (over-charge) olayının ortaya çıkmasına neden olur. Bu olduğunda, akü elektroliti kaynamaya başlayarak gaz üretir. Artık gaz, akünün su takviye kapaklarının dibindeki hava tahliye ventillerinden dışarı atılır. Atılamazsa içerde birikme yapar ve patlamaya neden olabilir. Sürekli atıldığında da akü elektroliti eksilir. Ayrıca akü voltajının aşırı artması, aküye zarar verir, ömrünü kısaltır. Yine de, eğer aküyü denetim altında tutabilecekseniz, ya da kaynak voltajı ile akü voltajını dengede tutabilecek bir düzen kurabilecekseniz, yukarıdaki yöntem son derece güvenilirdir. Hem şarj akımının, hem de tepe voltaj değerinin denetlendiği bir başka şarj devresini de bir başka yazımda paylaşacağım.

Şimdi sizlere ilginç bir bilgi vereceğim: Akü ve piller, temiz ve düzgün bir Doğru Akım ile şarj edilmeyi sevmezler! 

Evet, bu doğru. 

Uzun yıllardır yapılan birçok araştırma, akü ve pilleri dalgalı akımla, ya da "dirty-dc" dediğimiz, içinde darbeler bulunan bir akım ile şarj edildiklerinde ömürlerinin daha uzun olduğunu, şarj işleminin daha sağlıklı yürütüldüğünü, ayrıca kurşunlu akümülatörlerde sülfatlaşma dediğimiz olumsuz durumun kısmen önüne geçtiğini ortaya çıkarmıştır. Yıllardır modası geçmiş Nikel-Kadmiyum ve Nikel-Metal Hidrit pil şarj cihazları olsun, akü şarj eden özel şarj cihazları olsun, belli frekansta darbeli akım metodu ile şarj yaparlar. Üreticiler cihazları tasarlarken bunu bildiklerinden, hemen her cihazı böyle çalışacak şekilde dizayn eder ve üretip piyasaya sunar. 

Ben de, bu bilgiden faydalanarak, aküyü darbeli akım ile şarj edebileceğim, ama aynı zamanda LM317 veya ihtiyaca göre LM338 ile akım sınırlaması yapabileceğim bir şarj akım sınırlayıcısı çizdim. Ama devremi size göstermeden evvel, interntten bulduğum bir yöntemi size göstermek istiyorum.

Akü şarj akımı sınırlandırma

Devre, uygun bir adaptör kullanılarak Ni-Cd ve Ni-MH pillerin doldurulması için tasarlanmış. Akım sınırlaması ise, pilin artı tarafından değil, eksi tarafından yapılmaktadır. LM317 ve bunun gibi diğer regülatör entegreleri, temiz voltaj isterler. Bu nedenle giriş ve çıkışlarında ideal kondansatör uygulanır. Eğer bu yapılmazsa, "ripıl" dediğimiz cızırtı şeklindeki kötü dalgalanmalarda entegre kendisini kilitleyerek aşırı ısınmaya başlar ve eğer dayanamazsa bir süre sonra bozulur. Yandaki resimde, entegrenin dalgalı akımda bozulmaması için girişine 10uF-25V değerinde elektrolitik kondansatör uygulanmıştır. Ancak pil gurubunun dalgalı akımla beslenmesi gerekmektedir. Bu bilindiği için pil gurubu, entegrenin çıkışına değil hemen girişine bağlanmıştır. Böylece süzgeç görevi gören kondansatörün sağladığı temiz voltajdan etkilenmeyecek, dalgalı akım ile beslenecektir. Devrede görülen BC547 transistör ve LED, bataryanın durumunu kullanıcıya haber vermek için konmuştur. Batarya doldukça çektiği akım şiddeti değişeceğinden, LED'in parlaklığı da değişir. Kullanıcı bu LED'in parlaklığına bakarak, piller over-charge evresine girmeden şarjdan çekebilecektir. 

Bu devrede görülen R1 (Rsense) direncini değiştirirsek, UPS aküsü gibi akülerin şarjı için kullanabiliriz. Devredeki direnç 6,8 Ohm olarak görünmektedir. 

1,25 / 6,8 = 183mA = 180mA diyebiliriz. 

Demek ki bu devre, 1800mAh veya 2000mAh kapasiteli Nikel pilleri doldurmak için tasarlanmış. Bu 6,8 Ohm direnci 1,8 Ohm ile değiştirirsek, akım sınırlayıcı şarj akımını 700mA ile sınırlayacaktır. Ayrıca devremize resimdeki gibi doğrultucu çıkışında kondansatör bulunan hazır adaptör ile değil, filtre amaçlı kondansatör uygulanmamış bir AC güç kaynağı ile beslememiz gerekiyor. Bakalım bunu başarabilecek miyiz?..

Akü şarj akımı sınırlandırma
Yandaki resimde gördüğünüz devre, yukarıda gördüğünüz örneğin modifiye edilmiş hali. R1 direncine dikkat ederseniz direnç değerini değiştirdim. Ayrıca daha büyük akülerin şarj edilebileceğini de düşünerek, LM317T entegresine LM338 model entegreyi alternatif gösterdim. Akım tesbit direnci (Rsense) 1,8 Ohm olarak görünmektedir. Gücü ise 5Watt 'tır. LED'i süren BC547 transistörünün emetöründeki direnç ise 270 Ohm olarak değişmiştir. Duruma göre bu direnç 330 Ohm ila 470 Ohm'a kadar çıkabilir. Akım tesbit direncine paralel bağlanacak başka dirençler ile kısıtlanacak akım istenen seviyeye çekilebilir. Giriş, direkt olarak bir diyot köptüsünden sağlanmıştır. Böylelikle akü, doğrudan dalgalı akıma maruz kalacak ve sağlıklı dolacaktır. LMXXX entegresinin girişindeki kondansatörün değeri 470uF ila 1000uF olmalıdır. Tahammül voltajı ise 35V civarında olmalıdır. Giriş gerilimi, Akünün en az 13,5Volta kadar şarj edilmesi gerektiği, ve regülatör entegresinin voltaj düşümü de gözönüne alınarak, en az 16Volt AC olmalıdır. 15-16Volt-1A'lık bir transformatör uygundur. LED trafosu olarak satılan hazır SMPS adaptörler bu devre için uygun değildir; nedenini açıkladım, bu adaptörler temiz, düzgün voltaj verirler. Bize süzülmemiş dalgalı DC ya da bir diğer adıyla "dirty-dc" lazım. Bu nedenle sac nüveli klasik transformatörlerden gerekli. 

Devreyi KiCAD kullanarak PCB'ye aktardım. Görüntüleri aşağıdaki gibidir.

Akü şarj akımı sınırlandırma
Akü şarj akımı sınırlandırma


Dikkat ederseniz PCB'de iki adet büyük taş direnç kullanmışım. Bunu yapmamın nedeni, kullanıcıya daha fazla deneme yapma imkanı sağlamaktır. Dirençlerin ikisine de 1R8 yazdığıma aldanmayın. Bu değerde bulabilirseniz tek direnç bağlayın. Bulamazsanız bu değeri tutturabilmek için paralel direnç hesabına başvurarak farklı değerleri deneyin. Ayrıca daha büyük kapasitede akülerin şarj edilmesi için iki adet direnç kullanmak ve LM317'yi LM338 ile değiştirmek şarttır. Böylece derenin güç kapasitesi artar. LMXXX entegresine mutlaka soğutucu heatsink vidalanmalıdır. Değilse yanar. LED, hemen AC girişinin yanında konumlandırılmıştır. Çıkış "BATT" kısaltmasıyla işaretlenmiştir. Ortada gördüğünüz 1N4007 diyotunu kullanmayın ve campırlayın. O diyot, aynı PCB'nin benzer başka uygulamalarda kullanılması için eklenmiştir. Eğer sökmezseniz devre aküyü over-charge evresine götürebilir. Ya da en azından test yaparak sonucu görebilir, isterseniz kullanmayı da tercih edebilirsiniz. 

Devrenin PCB şemalarını içeren pdflerini sayfa sonuna ekliyorum. İsterseniz indirip deneyebilirsiniz. Bu defalık yazımı burada noktalamak istiyorum. Bir başka yazımda görüşmek üzere, hoşçakalın.

İyi çalışmalar...

Yorumlar

  1. Çok güzel anlatmışsınız hocam lakin benim gibi bu işden anlamayanlar zorlanacaktırlar bu nun hazır satılanı varmı acaba

    YanıtlaSil
    Yanıtlar
    1. Malesef hazır satılanı yok. Elektronikte kendinizi biraz geliştirirseniz çok zorluk çekmeden anlarsınız. Devre basitçe şarj akımını sınırlandırıyor ve akünün sağlıklı şarj olmasını sağlıyor. Selamlar.

      Sil

Yorum Gönder