Z potrzeby chwili... Zasilacz do laptopa w roli ładowarki akumulatora

Pewnego razu spotkała mnie przykra niespodzianka w postaci rozładowanego akumulatora w samochodzie. Przyczyną rozładowania było prawdopodobnie błędnie działające urządzenie do automatycznego wzywania pomocy, które przez parę dni postoju zdążyło wyczerpać akumulator. Rozładowanie było na tyle poważne, że rozrusznik przy próbie zapłonu ani drgnął, a elektronika wariowała.

Niestety, nie miałem pod ręką prostownika, a odpalenia „na kable” z pewnych względów nie brałem pod uwagę.

Postanowiłem więc, że na szybko wykonam ładowarkę, używając komponentów, które aktualnie miałem pod ręką. Jako źródło prądu wybrałem zasilacz do laptopa o wydajności około 4A i napięciu 19,5V. Do tego garstka dyskretnych elementów elektronicznych.

W zasadzie należałoby przeprowadzić przeróbkę zasilacza, by obniżyć napięcie i zastosować ogranicznik prądowy. Jednak nie jest to łatwe, a ja „z potrzeby chwili” wykorzystałem sposób bodaj najprostszy, choć wcale nie najlepszy: dodałem na wyjściu liniowy ogranicznik.

Pojemność akumulatora wynosiła 60Ah, czyli naładowanie do pełna zajęłoby ponad 15h. Na szczęście okazało się, że do odpalenia samochodu wystarczy tylko naładować częściowo – wystarczyło ładowanie przez około 8h prądem 2A.

Oprócz funkcji awaryjnej ładowarki akumulatorów układ spełnia się jako zasilacz w elektronicznej praktyce.

Fotografia 1.

Opis układu

Akumulatory są obciążeniem o bardzo małej rezystancji dynamicznej, więc bezpośrednie podłączenie zasilacza od laptopa, którego napięcie wyjściowe, zależnie od modelu, wynosi około 19V, spowodowałoby zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego lub przy jego braku przeciążenie i w konsekwencji zniszczenie zasilacza. Przystosowanie zasilacza polega na dodaniu obwodu ogranicznika prądu.

W pewnych warunkach można po prostu użyć rezystancji szeregowej, na której odłoży się nadwyżka napięcia, przez co prąd zostanie ograniczony. Znany jest od lat sposób z żarówką, której rezystancja nie jest stała i rośnie w miarę wzrostu prądu.

Jednak rozwiązanie z szeregowym oporem jest mało efektywne, bo moc zasilacza nie jest w pełni wykorzystywana, a czas ładowania się wydłuża. Ponadto, co bardzo groźne, gdy akumulator przyjmie już odpowiednio duży ładunek, napięcie na nim nadal rośnie, a wartość powyżej 15..16V staje się niebezpieczna dla samego akumulatora i otoczenia, ponieważ rozpoczyna się proces gazowania.

Układ, który wykonałem z potrzeby chwili, jest pozbawiony tych wad, ponieważ nie dopuszcza do zwiększenia się napięcia na zaciskach akumulatora oraz prądu pobieranego z zasilacza.

Schemat urządzenia jest na rysunku 1. Układ można krótko scharakteryzować jako liniowy regulator napięcia z ogranicznikiem prądu wyjściowego. 

Rysunek 1.

Tranzystor T2 pełni funkcję zaworu sterującego przepływem prądu do obciążenia. Razem z tranzystorem T1 tworzą układ Darlingtona, którego baza polaryzowana jest przez rezystor R2. Jako T1 zastosowałem niegdyś popularny, „pancerny” 2N3055. Zakładając, że rozładowany akumulator miał napięcie 9V, moc odłożona na tranzystorze wykonawczym wynosi (19V–9V)*2A = 20W. Istnieje więc spory zapas mocy, nawet przy zastosowaniu niewielkiego radiatora.

Funkcję stabilizatora napięcia pełni układ TL431. Steruje on układem T1/T2, podbierając prąd z rezystora R2 dostarczającego prąd do bazy T1. Prąd wpływający do końcówki „C” jest tym większy, im większa jest różnica między napięciem na końcówce Adj U1 a wartością wewn. źródła napięcia referencyjnego 2,5V. 

Dzięki układowi Darlingtona prąd polaryzujący bazę T1 może mieć niewielką wartość, rzędu mA. Prąd rezystora R2 wynosi około (19,5V–12V–2,1V)/300Ω = 18mA, co daje straty mocy na U1 około 0,25W i jest wartością dopuszczalną. 

Elementy R3 i T3 tworzą obwód ogranicznika prądu. Prąd z emitera T2, płynąc przez rezystor R3, powoduje pewien spadek napięcia. Gdy napięcie to zaczyna być bliskie 0,7V, otwiera się tranzystor T3, obniżając napięcie między bazą T1 a wyjściem układu, wskutek czego maleje prąd ładujący akumulator. 

Rezystor R3 w trakcie pracy ładowarki nagrzewa się. Przy prądach rzędu 5A musi on oddawać do otoczenia moc 5A*0,7V=3,5W. Ja użyłem rezystora o rezystancji 0,36Ω i mocy 5W; taka wartość rezystancji powoduje, że prąd zostaje ograniczony do około 2A, natomiast straty mocy wynoszą około 1,4W.

Końcówka Adj U1 podłączona jest do dzielnika napięciowego R4|(PR1+R5). Co ważne, napięcie  zasilające ten dzielnik pochodzi zza ogranicznika prądowego, żeby uniknąć błędu spowodowanego spadkiem napięcia na R3. Wartości rezystorów i potencjometru dobrano tak, aby możliwa była regulacja napięcia wyjściowego w zakresie od 12 do 16V. Dioda D1 zabezpiecza obwód przed przypadkowym, odwrotnym włączeniem akumulatora do zacisków wyjściowych. Układ U1 zawiera wewnątrz diodę włączoną zaporowo, która mogłaby spowodować przepływ prądu drogą od masy do emitera T1.

Obawy może budzić brak zabezpieczenia przed prądem wstecznym z akumulatora, gdy zasilacz nie jest podłączony. Gdy napięcie wyjściowe jest ustawione na wartość powyżej 12,8V (napięcie na sprawnym i naładowanym akumulatorze) prąd wsteczny nie popłynie.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowałem na uniwersalnej płytce, razem z radiatorem. Szczegóły spodu płytki widoczne są na fotografii 2. Gniazdo zasilania kompatybilne jest z wtykami zasilaczy HP oraz Dell. Wyposażone jest ono w diodę LED sygnalizującą podłączenie. Niektóre zasilacze wymagają „oszukania” środkowego pinu poprzez podanie napięcia o odpowiedniej wartości np. z dzielnika rezystorowego. Ja użyłem zasilacza HP, który tego nie wymagał. 

Fotografia 2.

Zaciski wyjściowe to stosowane w motoryzacji złącza płaskie, charakteryzujące się niską rezystancją połączeń. Sprawdzają się tutaj lepiej niż złącza śrubowe.

Fotografie pokazują szczegóły montażu z wierzchu i spodu płytki. Układu nie umieszczałem w obudowie, jedynie na podkładce izolacyjnej. Brak obudowy to nawet zaleta, ze względu na lepsze chłodzenie, szczególnie że ładowanie powinno przebiegać na zewnątrz lub w pomieszczeniach dobrze wentylowanych. Ładowanie przeprowadziłem, ustawiając wcześniej napięcie wyjściowe bliskie 15V z użyciem woltomierza, bez podłączonego akumulatora. Dla bezpieczeństwa zastosowałem bezpiecznik 5A tuż przy dodatnim słupku akumulatora.