10Ah 200Ah Akü Şarj Devresi BUZ11 CD4013

Klasik akü şarj devrelerine göre farklı çalışan, BUZ11 MOSFET ile darbeli şarj yapan ve CD4013 flip-flop entegresi üzerine kurulu bir 12V kurşun akü şarj devresi. Devre 10Ah ile 200Ah arası kurşun asit akülerin şarjı için tasarlanmış. En önemli özelliği, aküyü sabit DC ile değil, akım darbeleriyle şarj etmesi ve akü belirlenen son gerilime ulaştığında şarj darbelerini kesmesidir.

Devrede PR1 10K trimpot ile ayarlanan nokta klasik anlamda çıkış voltajı değildir; TL431 üzerinden algılanan son şarj gerilimi ayarıdır. Akü sürekli bağlı kalacaksa tampon şarj için 13,5V-13,8V civarı, akü şarj edilip kullanılacaksa çevrimsel kullanım için 14,4V-15V aralığı tercih edilebilir.

Pratikte çoğu 12V kurşun akü için 14,4V yaygın kullanılan değerdir; fakat kullanılacak akünün üretici tavsiyesi mutlaka dikkate alınmalıdır.

Bu devreyi özellikle yüksek kapasiteli aküler için düşünenlerin en başta bilmesi gereken nokta şu: şarj akımı kart üzerindeki elektronik tarafından ayarlanmıyor.

Devre aküyü son gerilime göre kontrol ediyor, fakat maksimum şarj akımı transformatör, kablo, doğrultucu, BUZ11, seri direnç veya seri lamba gibi güç yolu elemanları tarafından belirleniyor.

Benzer konularda farklı uygulamalar için araba aküleri için darbeli şarj cihazı yazısına da bakılabilir.

Bu sistemde ayrı bir akım sınırlayıcı ve maksimum akım ayar devresi yoktur. Şarj akımı transformatörün gücüne, devreye eklenen seri direnç veya seri lambaya, kablo kesitine ve akünün boşluk durumuna göre belirlenir.

T3 olarak önerilen BUZ11 için açıklamada izin verilen sürekli akım 26A, darbeli çalışmada 104A olarak verilmiş olsa da pratikte etkin şarj akımının 12A-15A seviyesini aşmaması tavsiye edilir. Daha yüksek akımlarda MOSFET, köprü doğrultucu, kablo ve soğutucu yeniden değerlendirilmelidir.

Devrenin Çalışma Mantığı

BR1 köprü doğrultucu, 17VAC civarındaki trafo çıkışını doğrultarak şarj darbeleri için gerekli DC hattı oluşturur.

T3 BUZ11 MOSFET, aküye giden ana akım yolunu anahtarlayan güç elemanıdır. Devre aküyü sürekli açık bir doğrultucuya bağlamak yerine, CD4013 flip-flop ve TL431 kontrolüyle belirli anlarda MOSFET’i sürerek darbeli şarj yapar.

U1 TL431, referans gerilimi 2,5V civarında olan ayarlanabilir referans entegresi gibi çalışır. PR1, R5 ve R6 çevresindeki bölücü sayesinde akü gerilimi izlenir.

Akü gerilimi ayarlanan eşik değerin altındaysa TL431 iletime geçmez ve CD4013 kontrol katı MOSFET’in açılmasına izin verir.

Akü gerilimi eşik değere ulaştığında TL431 iletime geçer, U2A CD4013’ün D girişindeki seviye değişir ve MOSFET sürmesi kesilerek şarj darbesi durdurulur.

R2, C2, D4, D5, R12 ve T1 BC548 tarafı şebeke dalga şeklinin belirli noktasını algılamak için kullanılır. R10, C4, R11 ve T2 BC548 tarafı ise ikinci zamanlama bilgisini üretir.

Bu iki transistörün kolektörlerinde oluşan zaman farkı, U2A CD4013 flip-flop için reset ve clock darbelerini oluşturur.

Bu sayede devre, şarj darbelerini her yarım periyotta rastgele değil, tam periyot mantığıyla üretir. Bu yapı trafoda DC bileşen oluşmasını azaltmak açısından önemlidir.

Yanlış Bağlantı ve Kısa Devre Koruması

Devrenin elektronik kısmı aküden aldığı gerilimle çalışır. Akü bağlı değilse T3 BUZ11 açılmaz.

Bu durum, çıkış uçlarının boşta kısa devre edilmesi veya akünün ters bağlanması gibi durumlarda köprü doğrultucunun ve güç yolunun gereksiz yere zorlanmasını önleyen önemli bir güvenlik ayrıntısıdır.

D6 18V 1W zener diyot, U2 CD4013 entegresinin besleme gerilimini güvenli bölgede tutar. D2 BAT43 Schottky diyot ve R16 150R direnç de elektronik besleme ve ters bağlantı koruması tarafında görev alır.

Akü ters bağlanırsa Y1 piezo uyarıcı ses verir. Bu ses duyulursa şebeke beslemesi kesinlikle verilmemeli, önce akü kutupları düzeltilmelidir.

Buradaki kısa devre koruması, devrenin her türlü kullanım hatasını sınırsız tolere edeceği anlamına gelmez. Akü bağlıyken ve MOSFET aktif durumdayken krokodil uçların birbirine değmesi yüksek akım oluşturabilir.

Bu nedenle akü bağlantı uçları yalıtımlı olmalı, kablolar sağlam olmalı ve güç hattına uygun sigorta eklenmelidir. Akü bakım ve izleme tarafında daha basit çözümler için 12V akü bakım cihazı ve voltaj izleyici yazısı da faydalı olabilir.

Şarj Gerilimi Nasıl Ayarlanmalı?

PR1 ile son şarj gerilimi ayarlanır. Ayar mutlaka gerçek çalışma koşullarında, yani akü devreye bağlıyken ve şarj akımı akarken yapılmalıdır.

Darbeli çalışma nedeniyle boşta ölçülen değer ile gerçek şarj anındaki değer aynı davranmayabilir.

• Tampon kullanım: Akü sürekli devrede kalacaksa 13,5V-13,8V aralığı uygundur.
• Çevrimsel kullanım: Akü şarj edilip daha sonra kullanılacaksa 14,4V-15V aralığı kullanılabilir.
• Düşük ayar: Son şarj gerilimi fazla düşük ayarlanırsa akünün tam dolması çok uzun sürebilir veya akü tam şarj olmayabilir.
• Yüksek ayar: Son şarj gerilimi gereğinden yüksek ayarlanırsa akü gaz çıkarabilir, ısınabilir ve ömrü kısalabilir.

Kapalı tip SLA, jel veya AGM akülerde şarj gerilimi konusunda daha dikkatli olunmalıdır. Sulu tip oto aküler kısa süreli yüksek şarj gerilimini daha rahat tolere edebilirken, kapalı tip akülerde üretici sınırları aşılırsa basınç ve gazlanma problemi oluşabilir. Lityum aküler için bu devre uygun değildir.

Güç Yolu, Kablo ve Soğutma Notları

Bu devrede birkaç amperden başlayıp on amper seviyelerine çıkabilen akımlar dolaşabilir. Bu yüzden ana akım yolu ince kablolarla veya zayıf krokodil bağlantılarla yapılmamalıdır.

Trafo, köprü doğrultucu, akü bağlantısı ve kart arasındaki hatlarda en az 2,5mm² kesitli kablo kullanılması tavsiye edilir.

PCB üzerindeki çıplak ve yüksek akım taşıyan yolların lehimle kalaylanması da iyi olur.

BUZ11 MOSFET mutlaka soğutucuya bağlanmalıdır. Büyük kapasiteli akülerde ve uzun süreli şarjda yalnızca MOSFET değil, köprü doğrultucu da ısınabilir.

Bu nedenle yüksek akım beklenen uygulamalarda BR1 köprü doğrultucunun da soğutucuya alınması gerekebilir. Trafo gücü de akü kapasitesine ve istenen şarj akımına göre seçilmelidir.

Devrede akım ayarı olmadığı için büyük trafolu bir uygulamada boş akü ilk bağlandığında yüksek akım çekebilir. Bunu sınırlamak için primer tarafa seri lamba, sekonder tarafa uygun güçlü seri direnç veya trafo gücünü sınırlı seçmek gibi yöntemler kullanılabilir.

Daha kontrollü şarj kesme uygulamalarıyla ilgilenenler için akü şarj kontrol modülü yazısı da karşılaştırma için incelenebilir.

Bağlantı Sırası

Devrenin güvenli çalışması için bağlantı sırası önemlidir. Önce şebeke enerjisi kapalıyken akü uçları bağlanmalı, ardından kutup kontrolü yapılmalıdır.

Piezo uyarıcı ses verirse akü ters bağlanmış demektir; bu durumda enerji verilmeden kutuplar düzeltilmelidir. Sesli uyarı yoksa trafo beslemesi verilebilir.

• Önce şarj cihazının AC beslemesi kapalı olmalıdır.
• Akü, AKU + ve AKU – uçlarına doğru polariteyle bağlanmalıdır.
• Y1 piezo uyarıcı ses verirse kutuplar ters bağlanmıştır.
• Uyarı sesi yoksa 17VAC trafo beslemesi verilebilir.
• Şarj bitiş gerilimi PR1 ile gerçek çalışma koşullarında ayarlanmalıdır.

10Ah 200Ah Şarj Devre Şeması

Şemada U2A ve U2B olarak görülen kısım CD4013 çift D flip-flop entegresidir. U2A şarj darbelerinin ana kontrolünü yapar.

U1 TL431 gerilim eşiğini belirler. T3 BUZ11 aküye giden akım yolunu anahtarlayan MOSFET’tir. T1 ve T2 BC548 transistörleri ise doğrultulmuş AC dalga şekline bağlı zamanlama darbelerini oluşturur. D1 ve D3 1N4148 diyotlar küçük sinyal diyotlarıdır.

D2 BAT43, D6 18V zener ve R16 çevresi koruma ve besleme sınırlama tarafında görev alır.

PCB ve Montaj Uyarıları

Montaja küçük elemanlardan başlamak daha rahat olur. Dirençler, küçük diyotlar, kondansatörler, entegre soketi, transistörler ve en son büyük güç elemanları yerleştirilebilir. D1, D2, D3, D6, D4, D5, T1, T2, T3, U1, U2 ve Y1 gibi yönlü elemanların bacak dizilimine dikkat edilmelidir. CD4013 entegresi için soket kullanmak iyi olur.

Giriş ve çıkış terminalleri yüksek akım taşıyacağı için kaliteli vidalı klemens kullanılmalı, lehimler bol ve sağlam yapılmalıdır.

BUZ11 soğutucusu karta mekanik yük bindirmemeli; soğutucu yalnızca MOSFET’e uygun şekilde bağlanmalı, PCB’ye ayrıca zorlayıcı şekilde tutturulmamalıdır.

Güncelleme; Forumdan @seron devrenin PCB çizimini hazırlamış. Dosyaya eklendi. Açıklaması aşağıdadır.

@seron: Elden geldiği kadar orijinal şemaya bağlı kalmaya çalışsam da PCB ölçüleri aynı değildir. Soğutucu heatsink kesinlikle PCB’ye tutturulmamalıdır.

Kartın uzaması ve yollarda oluşabilecek direncin önüne geçmek adına artı ve eksi hatları kalın bakır dolguyla genişlettim. Bu nedenle soğutucu sadece BUZ11’e vidalanmalıdır; karta delik açıp tutturmayın.

Giriş ve çıkış vidalı terminallerinin deliklerini biraz uzattım ki farklı terminaller de monte edilebilsin.

Ayrıca doğrultma köprüsünün bacaklarını orijinal şemadaki gibi pabuç fiş bacaklı olanlara uygun hale getirmeye çalıştım. Bundan sonrası lehimleme becerinize kalıyor.

Orijinal PCB’de ince yollar sanırım 0,25mm veya 0,30mm civarındaydı; ben bunları 0,75mm yaptım. Entegre bacaklarının arasından geçen yollar 0,25mm olup eğer baskıda kalkarsa kabloyla köprü atarsınız. 0R yazan yerlerde seri üretimde jumper yerine 0R direnç kullanılıyor. İster 0R direnç kullanın, ister tel atın fark etmez.

Güncelleme: Forumda @dijital kadir tarafından PCB çizimde bir eksik olduğu bildirildi. Resimde işaretli bölüm birleştirilecek. Ek olarak @seron birkaç düzenleme daha yaptı. Teşekkürler.

@dijital kadir: İnternette bu devreyi gördüm, hatalı baskı çizimi var. Devreyi deneyip de paylaşın. Hata, 100K direncin başı boşta; 4.7K direncin başı ile birleştirin. Hata yerini işaretledim.

Bu devrede dikkat edilecek en önemli husus, aküye ilk bağlanınca BUZ11 aktif oluyor. Kutup başlarını çıkarınca pasif duruma geçmiyor; birbirine değdirmemeye dikkat edin. Aleti açıp kapatınca BUZ11 pasif duruma geçiyor. Krokodiller izolasyonlu olsun. Bu alet üzerinde çok çalışma yaptım, şu an kullanıyorum.

@seron: Arkadaşın ikaz ettiği eksik yol tamamlandı. Bundan başka eksik bir yol daha tespit ettim, o da tamamlandı. Ayrıca T2’nin beyzinin direkt emetörü ile birleştiği yer ayrıldı.

Entegrenin bacakları arasından geçen yollar çok inceydi; bacak pedlerini oval yapıp incelttim, yol kalınlığını 0,5mm yaptım. Baskıda kalkma ihtimali azaldı, ancak lehimlerken dikkatli olun, değmesin.

Son Notlar

Bu devre yüksek kapasiteli 12V kurşun aküler için pratik bir şarj cihazı olabilir; fakat basit bir otomatik adaptör gibi düşünülmemelidir.

Akım sınırlaması harici olarak düşünülmeli, kablo kesiti ve soğutma ihmal edilmemelidir. Akü bağlantı sırası, yalıtımlı krokodil kullanımı ve doğru PR1 ayarı devrenin güvenli çalışması için önemlidir.

200Ah gibi büyük akülerde şarj süresi uzun olabilir ve akım yolu daha fazla zorlanır. Bu tür uygulamalarda trafo gücü, köprü doğrultucu akımı, BUZ11 soğutması ve kablo bağlantıları mutlaka yeniden gözden geçirilmelidir. Küçük akülerde ise şarj akımı gereğinden büyük seçilirse akü ısınabilir ve ömrü kısalabilir.

Kaynak: http://serwis.avt.pl/manuals/AVT2715.pdf

Güncellenen PCB dosyası: