Moderní napájecí zdroje pro (cyklo)turisty

 

Jestliže potřebujete napájet mobilní zařízení mimo civilizované končiny, resp. mimo automobil, máte zřejmě po celodenním výletu určitý problém, kde doplnit energii pro jejich baterie.

Jestliže si uvědomíme, že doplňkové zdroje musíme nést na zádech, je jasné, že musíme dbát na hmostnost a efektivitu přeměny energie. Tím pádem ihned zapomeneme na těžké - i když laciné - olověné (gelové) akumulátory, opatřené velmi jednoduchým lineárním stabilizátorem - jejich efektivita konverze energie je velmi malá. Na zádech tedy taháte těžkou baterii, ze které využite max. třetinu pro vaši techniku a zbytkem podpoříte vytápění zemekoule. (Účinnost převodu takového napáječe je - velmi zjednodušeně - dána poměrem vstupního a výstupního napětí. Pokud chcete z 12 Voltové baterky vytvářet USB napájení, tj. +5 Voltů, počítejte s účinností max. 5/12, tj. 40%). Jestliže teď myslíte na to, použít akumulátor s nižším napětím, uvažujete správně, olověné AKU se však obvykle vyrábí v hodontách 6 a 12V. První hodnota je zase pro změnu málo, protože lineární zdroje obvykle potřebují mezi vstupem a výstupem rozdíl typicky 2.5 až 3 Volty. Pokud tedy chcete vytvářet 5V zdroje, 6V baterka nestačí. Navíc musíte počítat s postupným vybíjením akumulátoru.

Nejjednodušší konstrukce napájecího zdroje se dá postavit pomocí lineárních třísvorkových stabilizátorů typu 7805 nebo LM317. Konstrukce je opravdu jednoduchá, s minimem součástek a zvládne ji opravdu každý. Účinnost tohoto stabilizátoru je však závislá na rozdílu napětí na vstupu a výstupu a procházejícím proudu. Stručně řečeno - čím větší je počáteční rozdíl napětí na vstupu a výstupu stabilizátoru, tím menší má účinnost a velká část (na zádech turisty pracně nesené) energie, je vyzářena do prostoru jako teplo. Účinnost je tak přibližně 30% - záleží na rozdílu napětí.

Lineární usměrňovač typu 7805

Problémem lineárních stabilizátorů (kromě výše zmíněných ztrát) je obvykle i potřeba většího rozdílu (cca 2.5 - 3.0V) mezi vstupním a výstupním napětím. V tomto případě, kdy na výstupu požadujeme +5V, by obvod ukončoval svoji činnost při cca 7.5V na vstupu, což by znamenalo, že akumulátor nebude ani zdaleka vybit na minimální hodnotu. (cca 5.6V).

Lepším řešením je postavit impulsní (spínaný) zdroj (měnič). (Principy a rozdělení spínaných zdrojů). Ty mají několik významných výhod oproti lineárním zdrojům - vyšší účinnost přeměny energie, vyšší rozsah vstupních napětí, díky vyšší pracovní frekvenci lehčí transformátory a hlavně - netopí. První generace spínaných zdrojů, používaných u nás od 80. let, byla postavena poměrně složitě s obvody z dřívější doby, v současnosti existuje nepřeberné množství integrovaných obvodů, specializovaných výhraně pro tyto účely.

Jeden z nich - MC-34063 - jsem použil i ve své kostrukci.

 


Spínaný DC-DC měnič s obvodem MC-34063

aneb energie, nesená na zádech...


 

Mnou použitý specializovaný integrovaný obvod není rozhodně jediným a nejlepším, co se na trhu vyskytuje. Jde o starší typ, v současnosti nahrazovaný novou generací obvodů s více možnostmi a lepšími parametry. Použitý byl hlavně proto, že jsem ho měl doma v šuplíku (stojí opravdu jen pár korun) a navíc na něj existuje na internetu celkem slušný popis. Navíc má tu výhodu, že se v minulosti hodně používal do automobilních adaptérů, takže má poměrně velký rozsah vstupních napětí. (Až do 40 Voltů).

Při návrhu vaší konstrukce se můžete omezit na step-down (sestupné) měniče, kdy přeměňujete vyšší vstupní napětí na menší. Tak se typicky zapojuje většina takových zdrojů s větším akumulátorem, např. z +12V baterie se mění na +5V. Druhým typem jsou step-up (vzestupné) měniče, upravující relativně malé vstupní napětí na větší. Toto zapojení se používá typicky u tzv. nouzových jednočlánkových zdrojů pro mobily, kdy z jednoho článku velikosti AA a nominálním napětí +1.2V dobíjíte mobil v nouzi. Je třeba dávat pozor na to, že většina takových komerčně vyráběných, jednoduchých měničů má však relativně malý proud a jsou tedy vhodné opravdu pouze pro mobily.

Univerzální (hybridní) měniče však dokáží obojí, tzn. například vyrobit +5V ze vstupního napětí z rozmezí +3 až +40V. Jedno z takových řešení s obvodem MC-34063 hledejte třeba v tomto katalogovém listu od stránky 16. (Pokud se vám ho nepodaří stáhnout, najdete kopii zde). V textu jsou přiloženy i příklady konkrétního zapojení obvodu, který vyrábí +10V na výstupu ze vstupního napětí v rozmezí +7.5 až +14V.5V. Celý text na několika stránkách popisuje i postup výpočtů pro hodnoty jednotlivých externích součástek, takže by neměl být problém si postavit zdroj opravdu "na míru" našim konkrétním podmínkám.

Tento zdroj jsem se rozhodnul postavit i já sám.

Před vypracováním vlastního návrhu zapojení je třeba si ujasnit, pro jaká zařízení bude zdroj určen - jaké proudy, napětí a konektory bude potřebovat.

 

 

 

Používaná připojená zařízení, napájená z konstruovaného mobilního zdroje  


•  PDA typu ASUS A632 s integrovanou GPS. iPAQ 214. Odběr max. 500mA po dobu 10 hodin/den , v případě zapnuté GPS s mapovým podkladem i nepřetržitě. (Ráno PDA zapnu, nepřetržitě ukládám profil projeté trasy, nechám se navigovat podle předem připravené trasy v OziExploreru, občas použiju mapový podklad některé automobilové navigace pro průjezd většími městy. Večer po dojezdu vypnu ukládání dat a ještě asi hodinu používám pro přípravu trasy na další den. Na PDA běží i další programy - Kešovadlo jako databáze všech GPS skrýší v České republice, jízdní řády autobusů a vlaků apod). Konektor mikroUSB, +5 Voltů stabilizovaných.

•  "China" mobil MyPhone 6691 (dual SIM). Odběr cca 200mA po omezenou dobu nabíjení. (Akumulátor v mobilu vydrží cca 300 hodin, při přesunech se samozřejmě zkracuje vlivem komunikace s BTS). Konektor mikroUSB, +5 Voltů (není třeba stabilizovaných).

• externí GPS modul Qstarz Q1000X. Vydrží v provozu cca 42 hodin, poté je potřeba ho dobít. Konektor mikroUSB, +5 Voltů stabilizovaných

•  Osvětlení kola světlem typu LUXEON 3W (vlastní výroba). Odběr cca 700mA max. 1 hodinu denně. ( Počítám převážně s letními expedicemi ). Napájení je postaveno jako zdroj konstantního proudu, zatím řízeného jednočipem Atmel s podporou PWM. Na příští sezónu uvažuju o záměně za 5W LED světlo s vlastním napájecím měničem, který se dá používat i při pěších výletech, například v jeskyních.

 

 

Výběr napájecího akumulátoru


Už kdysi dávno jsem se rozhodnul používat PDA, nikoli navigaci typu Garmin eTrex, které se napájí dvojicí tužkových článků s výdrží téměř celý den a není tak problém s jejich napájením, zatímco s PDA ano.

Při mém – poznávacím – způsobu jízdy, je však třeba dát přednost provozu GPS s mapovým podkladem.

Vzhledem k vytváření výškových i geografických profilů tras (délka cca 300 - 800 km ) není možné napájení přes den vypínat, což znamená, že nelze použít variantu náhradních AKU do PDA a během cesty je vyměňovat.

Také vzhledem k prvotnímu nastavení řídícího programu jednočipového mikropočítače Atmel, použitého pro řízení Luxeonu, nestačilo obvyklé napájecí napětí 6Voltů (tj. jeden dvoučlánkový akumulátor), ale je třeba volit variantu min. 12V, což zase přináší menší celkovou kapacitu zdroje a tím i menší výdrž. Toto řešení jsem posléze opustil a upravil řídící program pro mikropočítač s napájením 6 - 8.5 Voltu.

Pokud jste si přečetli o výběru vhodného akumulátoru, je celkem jasné, že pro pěší výlety vyhrává poměrem hmotnost/výkon lithium-iontová baterie. Nabízí bezkonkureční velikost přenášené energie, musíte se však smířit s o něco vyšší pořizovací cenou, než mají jiná řešení.

Pro napájení v terénu byl zvolen dvoučlánkový LiOn akumulátor typu BP945 (popř. BP970 apod) s nominálním napětím 7.4 Voltu. V provozní praxi ho lze použít od 8.2 V (zcela nabitý) až po (přibližně) 5.6 V, kdy ho odpojuje jeho ochrana od zátěže. Předběžní výpočty dle odhadované spotřeby PDA tak ukazují dobu výdrže pro externí napájení více než 30 hodin čistého času. (Záleží na tom, jakou vlastní spotřebu bude mít měnič). Jeho pořizovací cena je přibližně 1100 korun. (Nakoupil jsem zde).

Olověné (gelové) akumulátory

Jednoznačně nejlacinější variantu dávají olověné (gelové) akumulátory, koupené za pár stokorun. Dávají poměrně velké proudy, vhodné pro velmi výkonné osvětlení. Dají si dost líbit i z hlediska nabíjení, vážným nedostatkem je velikost a hlavně hmotnost. Akumulátor o uvažované kapacitě váží samotný zhruba 3 kg ! Pokud vám taková váha na kole nevadí, dejte se do výroby. Odkazy najdete třeba zde .

Tužkové NiMH akumulátory

Jako svůj zdroj „první generace“ jsem si vyzkoušel i použití sady NiMH tužkových článků, používaných v mých fotoaparátech Olympus. V době stavby byly nejsilnější typy 2700mAh. Po složení vytvořilo 12 článků celkem solidní zdroj, na kterém fungovala např. GPS naprosto spolehlivě. Nevýhody – při relativně velkém zabraném prostoru není výsledná kapacita dostatečná pro současné připojení osvětlení. Další nevýhodou je i vyšší pořizovací cena. (1 článek AA stojí cca 50-100 Kč)

dobíjecí články NiMHTakový „zdroj“ dáte dohromady v několika minutách, má však několik základních nevýhod. Cenu už jsem zmínil, dalším mínusem je - vzhledem k velkému počtu článků – poměrně rychlý pokles napětí při vybíjení. Většina současných zařízení (mimo mobily) se dneska napájí ze zdroje, opatřeného koncovkou miniUSB, tzn. stabilizovanými +5 Volty. Jestliže použijete více článků, musíte se postarat o stabilizaci napětí i při postupném vybíjení článků. Daleko největším problémem se však ukázala citlivost bezdrátového tachometru Ciclosport C-436 na rušení z impulsního DC-DC měniče. ( Snižuje původní napájecí napětí z rozsahu 10.8 – 16V na 5.0 Voltu. Na fotce je „schován“ v zadní části konstrukce pod alobalovým krytem ).

Tužkové LiOn nebo LiPol

dobíjecí články LiOnJiné, líbivější technologie (LiOn, LiPol) byly v roce 2006 zatím zavrhnuty, hlavně pro vysokou pořizovací cenu, přesto jsem jako vývojový vzorek dal v rámci zkoušky dohromady malou nabíječku jednotlivých LiOn článků a podíval se v prodejně GM na Kolišti, jaké mají finančně přístupné LiOn akumulátory. Radami z internetu jsem byl vehementně přesvědčován, že nejlepší typy z hlediska kapacity mají tužkovou podobu. Cena byla opravdu celkem přijatelná. Původně uvažované LiOn tužkové akumulátory od firmy GM elektronic. Typ 18650, každý z nich má napájecí napětí 3.6 Voltu, kapacitu 2200mAh, hmotnost 46 gramů, vybíjecí proudy až 4.3 Ampéru!!!, cena okolo 200 Kč (stav k lednu 2007). ( Jinými slovy, každý z nich má přibližně dvojnásobnou kapacitu proti originálnímu akumulátoru v PDA Asus A632!)

Nakonec to – jako vždy – rozhodla „opovrhovaná“ asijská produkce. Od podzimu 2006 se k nám ve velké míře začínají dovážet napodobeniny značkových akumulátorů k videokamerám a to i ty nejvýkonnější typy, eufemisticky nazývané dovozci „neoriginální“ AKU , nahrazující typ xxxxxxx (název si doplň každý sám).

Ani bych to nevěděl, kdyby u služební digitální kamery JVC MG-20 „neodešel“ starší akumulátor, dodávaný s kamerou (s dobou výdrže 1 hodinu), pro který jsem se jal shánět lepší náhradu s dobou výdrže cca 3.5 hodiny. Stručný pohled do značkových prodejen – s cenou originálního akumulátoru se pohybujeme někde mezi 3.5 až 4 tisíci!!! Funkčně i typově naprosto stejnou čínskou „napodobeninu“ seženete už od 800 Kč! Po zakoupení funguje zatím bez jakéhokoli problému.

Při hledání náhrady pro kameru jsem tak v lednu 2007 zjistil, že existují i lacinější zdroje pro výkonnější kamery Canon a napájecí zdroj byl v základu hotov. Chtěl jsem se maximálně využít hotových dílů, protože moje dílenské prostředky v panelákové dílně jsou celkem omezené.

čínská napodobenina originálního akumulátoru CANON
čínská napodobenina originálního akumulátoru pro videokameru

 

 

 

 

Snažil jsem se vybírat z té čínské produkce ty LiOn akumulátory, které mají ještě únosnou cenu při kapacitě, srovnatelné s již uváděnými olověnými gelovými akumulátory. Cena LiOn je samozřejmě vyšší, nicméně mají pro cestování na kole jednu nesrovnatelnou výhodu – jsou o hodně lehčí. Porovnejte sami na další foto – jeden mnou vybraný AKU má pouhých 290 gramů!

Zajímavé je, že „čínské“ akumulátory se liší navzájem jak napětím článků (rozmezí 7.2 až 7.4 Voltu), tak i kapacitou (přibližně od 3500mAh až do 6900mAh!!).

Mnou koupené AKU

Mnou koupené LiON akumulátory s kapacitou 6500 mAh. (Všimněte si, že z licenčních důvodů nesmí výrobce používat originální název, proto uvádí jen, že nahrazuje typ BP-945)

Nakoupil jsem zde. V současnosti mají už pro daný typ "náhradního" akumulátoru kapacitu 6900 mAh a koupit lze i výkonější typy, např. BP-970 .

Nyní už zbývá poměrně jednoduchý úkol - transformovat zdroj +8.2 až 5.6Voltu na +5.0Voltu (napájení miniUSB), resp. +3.7Voltu (to je nominální napětí většiny LiOn akumulátorů malé spotřební elektroniky). Na to se nejlépe hodí malé DC-DC měniče (impulsní), které mají relativně menší ztráty.

 

 

Amatérská stavba DC-DC hybridního měniče s obvodem MC34063


 

V radioamatérských schématech se lze hodně setkat s řídícími obvody, postavenými speciálně pro spínané napájecí zdroje, např. MC34063.

mc34063 - datasheet

MC34063

Připojením několika málo externích součástek lze vyrobit velmi slušný napájecí zdroj. Výstupní tranzistor u většiny obvodů 34063 vydrží konstatntně 700mA, špičkově i 1.5A. (Záleží na konkrétním typu). Pokud potřebujete větší výstupní proud, není problém ho zvětšit přídavným výkonovým tranzistorem. Pro naše účely je tato hodnota dostačující.

MC34063 - ukázky zapojení

Vedlejším účinkem vyšší účinnosti je to, že takový zdroj netopí a v provozu je téměř studený. V našem specifickém případě, kdy požadujeme vstupní napětí v rozmezí 5.6 až 8.2V, bude dobré se poohlédnout po kombinované (hybridní) variantě zapojení, která za určitých podmínek může pracovat jako Step Down i jako Step Up, tj. vstupní napětí může být dokonce i nižší, než výstupní.

Moje stavba DC-DC měniče pochází ze zjednodušeného doporučeného zapojení firmy OnSemi. (Jako podklad pro konstrukci jsem použil zapojení od str.16 tohoto souboru. V textu jsou uvedeny i výpočty použitých součástek pro uvedená napětí a proudy). Webovou kalkulačku pro výpočet součástek při změně vstupních a výstupních podmínek naleznete zde nebo i v podobě excelovské kalkulačky XLS.

 

 

Stavba, oživení a měření měniče


Měnič je postaven na dvoustranné desce plošného spoje o přibližné velikosti 3x2 cm a zabudován do speciálně vyrobené krabičky, která tvoří zároveň držák akumulátoru. Oproti doporučenému zapojení obsahuje obvod i vypínač (fyzické odpojení akumulátoru) a malou indikační LED diodu, signalizující funkčnost obvodu.

Do února 2010 byly vyrobeny celkem tři varianty mobilního napájecího zdroje.

 

VARIANTA 1

Zpočátku jsem ještě neměl zkušenosti ani se zdrojem, ani s napájecím akumulátorem. Abych sebou v terénu nemusel tahat další měřící přístroj, obsahovala první verze panelový voltmetr

(Voltmetr je čínská produkce, v GME byl dostání za přibližně 100 Kč. Strana součástek volmetru. Všechny řídící obvody jsou obsaženy, připojujete pouze malou knoflíkovou baterii pro napájení voltmetru a přívody měřeného akumulátoru. Další dva propojky stanoví voltmetru, na jakém rozsahu má pracovat, tj. s kolika desetinnými místy).

Pro řízení 1W Luxeonu jsem zpočátku také využíval jednočipový mikropočítač, vyžadující 12V, proto byl měnič připojen na výstup sériově zapojených 2 LiOn akumulátorů.(Vstupní napětí přibližně 11.2 až 16.4 Voltu).

Mobilní nabíješ s MC34063 a 2 LiOn akumulátory

Mobilní napájecí zdroj s obvodem MC34063

Mobilní napájecí zdroj s obvodem MC34063

Mobilní napájecí zdroj s obvodem MC34063

Zobrazených 16.38 Voltu je napětí obou (téměř úplně) nabitých akumulátorů, zapojených do série.
(Toto poměrně velké napětí jsem tehdy potřeboval kvůli napájecímu napětí řídícího mikropočítače pro Luxeon).

Mobilní napájecí zdroj s obvodem MC34063

První varianta měniče s MC34063

Toto zapojení sloužilo pouze jedno sezónu a v praxi se příliš neosvědčilo. Příliš jednoduchá stavba, neobsahující balancer pro správné a současné vybííjené obou akumulátorů, způsobovala, že jeden z nich se vybíjel rychleji, než ten druhý.

Zkušenosti z cca ročního provozu předvedeného napájecího zdroje podle konstrukce z roku 2006:

  • osvědčila se kapacitní výdrž napájecího zdroje – ani jednou nebylo třeba výrazně šetřit energií, neboť nejdelší doba provozu bez dobíjení akumulátorů byla 3 dny
  • přestože akumulátory pochází z „neznačkové“ země původu, parametry mají vynikající – téměř žádné samovybíjení, dostatečný proud pro napájení PDA s GPS, mobilu i osvětlení
  • neosvědčila se konstrukce se zapojením 2 kusů dvoučlánkových LiOn akumulátorů do série. Přes snahu o rovnoměrné zatěžování docházelo k většímu vybíjení jednoho akumulátoru více, než u druhého. V praxi se to projevovalo zvláště po více hodinách provozu, kdy začaly menší problémy s dobíjením, neboť jeden akumulátor byl téměř vybitý (cca 6 Voltů), zatímco druhý měl ještě napětí více než 7 Voltů. Navíc tyto dražší akumulátory mají vlastní, vestavěnou ochranu, která nedovolí jejich úplné vybití. Podle mých zkušeností je hranice u „replace“ BP-945 nastavena na 5.60 Voltu, tj. asi 2,8 Voltu na článek, přičemž závěrečné vybití z 6.6 na 5.6 Voltu trvalo jenom 20 minut!
  • Protože nabíječka těchto AKU měla být jednoduchá, neobsahuje logiku pro současné nabíjení obou akumulátorů najednou. Nabíjení po jednom kusu trvá potom neúměrně dlouho – v případě pozdního dojezdu na ubytování je problém nabít přes zbytek noci oba akumulátory tak, aby se brzy ráno dalo pokračovat.

 

 

VARIANTA 2

Vzhledem k ročním zkušenostem byla na podzim 2006 přijata opatření k  odstranění jejich nedostatků úpravou konstrukce, kterou si pracovně nazvěme „vzor 2007“.

  • Největší nevýhodou uvedené konstrukce je – při sériovém zapojení dvou 7.4V akumulátorů – udržet proporcionalitu jejich vybíjení. Stačí malinký rozdíl ve vnitřním odporu jednoho akumulátoru, aby se vybíjel více, než ten druhý. V praxi to znamená, že jeden akumulátor je téměř vybit, zatímco druhý znatelně méně. Bohužel v okamžiku dosažení minimální hodnoty vybíjecího napětí – 5.6 Voltu – „zafunguje“ vestavěná ochrana akumulátoru ( je integrována přímo v pouzdře akumulátoru ) a odpojí ho od zátěže. ( Opravdu ho odpojí, na výstupu akumulátoru se v tu ránu objeví 0 Voltů a změnit tuto hodnotu můžete až v nabíječce !). Jestliže se vám toto stane v okamžiku sériového zapojení 2 akumulátorů, je samozřejmě přerušeno dodávání proudu i z toho druhého.

Změna řídícího členu pro cyklistické světlo umožnila použít napájení pouze z jednoho akumulátoru. Krátkou dobu (po skončení hlavní cyklistické sezóny, v průběhu podzimu) byla používána původní konstrukce pro dva akumulátory, zapojené však už ne do série, ale pomocí přepínače jako samostatné. V průběhu zimy byla konstrukce celkově předělána na "stojací" variantu, pouze s jedním akumulátorem. Vedlejším důsledkem je, samozřejmě, další snížení hmostnosti - jeden akumulátor dokáže PDA napájet cca 32 hodin, tj. 2.5 dne pěšího výletu..

Druhá generace mobilního zdroje s MC34063

Druhá generace mobilního zdroje s MC34063

Druhá generace mobilního zdroje s MC34063

Druhá generace mobilního nabíjecího zdroje výrazně "zeštíhlela". Po roce praktického využívání jsem zjistil, že akumulátory jsou opravdu tak kapacitně silné, že mi - při používání PDA v nijak nešetřícím režimu - vydrží i více, než dva dny cestování. Součástí je však pořád vestavěný voltmetr, protože jsem si nebyl jistý způsobem odpojení akululátoru od PDA při jeho vybití na minimální hodnotu.

Na horním snímku je vidět kompletní konstrukce, která - díky perspektivě - trochu zkresluje velikost, na posledním snímku jsem přidal krabičku zápalek pro srovnání. Na prvním snímku je vidět i otvor zboku pro současné (nezávislé) napájení cyklosvětla nestabilizovaným napětím. Pořídil jsem pro zdroj i malou taštičku, připojitelnou na opasek.

 

VARIANTA 3

Během prvního roku používání tohoto zdroje (2006) jsem zjistil možnost některých úprav, vedoucí k celkem významnému zjednodušení celého zapojení:

  • zabezpečit souměrné vybíjení dvou článků v sérii bez přídavné elektroniky je celkem zapeklitá věc
  • po úpravě SW a HW jednočipového mikropočítače k Luxeonu již není potřeba tak velké napájecí napětí, takže stačí pouze jeden článek
  • použité LiOn akumulátory mají vestavěný odpojovač napájení od spotřebiče přímo v sobě – při vybití na cca 5.6 Voltu/dvojčlánek je akumulátor odpojen touto ochranou od zátěže - není potřeba ani kontrolní digitální voltmetr.

Po dalším roce používání se tedy ukázalo, že je zbytečný i voltmetr na sledování zmenšujícího se napětí akumulátoru. Všechny ty čínské REPLACE akumulátory mají vestavěný inteligentní odpojovač při vybití LiOn článku na minimální doporučené napětí, tj. cca 5.6 Voltu.

Třetí generace nouzového nabíjecího zdroje pro PDA

Třetí generace nouzového nabíjecího zdroje pro PDA

Po celé řadě zkoušek (stanovení vybíjecí charakteristiky při nominální zátěži) znám i optimální dobu použití této nabíječky a baterii mohu včas vyměnit.

V této variantě byl napájecí zdroj používán v ltech 2007 - 2008 a plně se osvědčil jak na pěších, tak i cyklovýletech. Malá brašnička umožňuje připojení na opasku a dobíjení buď nepřetržité nebo jen dle potřeby. Akumulátory byly zároveň po 3 letech činnosti nahrazeny typy BP-970 s kapacitou 7500 mAh, které spolehlivě udrží PDA a GPS na kole v činnosti po několik dní.

Akumulátor, nahrazující  Canon BP-970

Akumulátor, nahrazující  Canon BP-970

 Kolik váží?

 

 

Čím nabíjet LiOn akumulátor?


Jestliže nevyžadujete krátkou nabíjecí dobu, postačí tzv. univerzální nabíječky LiOn, dodávané jako OEM ve velkém množství typů. Jednotliví distributoři je následně vydávají za své, ačkoli to tak úplně není pravda - viz např. AARON (Avacom), Megapixel (AV-MP).

Univerzální nabíjecí souprava AVP pro LiOn akumulátory

Univerzální nabíjecí souprava je určena pro více typů akumulátorů všech značek (včetně čínských REPLACE baterií), které používají Li-ion, Li-Pol akumulátory. Redukce AVP (na obrázku je to ta horní, sundávací část) lze v nabíječce libovolně vyměňovat, což je ideální na cesty - jednou nabíječkou nabijete veškerou svou digi a video techniku. Pro snadnou kontrolu nabíjení je nabíječka vybavena dvěma LED diodami, signalizujícími nejen plné nabití, ale i posledních 10% nabíjení. (Při dosažení cca 90% kapacity začnou obě diody problikávat, čímž dávají najevo brzkou dobu ukončení nabíjení).

Univerzální nabíječka AV-MP

Za univerzalitu a jednoduchost však platíte různou (a dosti dlouhou) dobou nabíjení podle kapacity baterie. Na druhé straně není potřeba nabíječka, vybavená složitou a drahou automatikou. Při cyklocestách nebo pěších tůrách je výhodou také relativně malá hmotnost nabíječky s impulsním adaptérem. Dobrá je také v soupravě dodávaná šňůra pro dobíjení v automobilu cestou palubní sítě.

Náhradní plato k univerzální nabíječce LiOn typu AV-MP (AVP)
Ukázka výměnného plata do nabíječky, použitého v konstrukci mobilního zdroje. Dá se koupit samostatně téměř pro libovolný typ akumulátoru. Nabíječku pro akumulátor BP-9700 si můžete objednat u stejného dodavatele.Využil jsem toho, že se u dodavatelů dají koupit nabíjecí plata podle objednávky na téměř jakýkoli typ akumulátoru a pro svoje dva kusy akumulátorů jsem zakoupil navíc i dvě plata s tím, že budou sloužit jako základ konstrukce zdroje. (Lze je koupit u stejného dodavatele, jako akumulátor či nabíječku, ale v objednávce musíte stanovit, že je chcete navíc a pro který typ akumulátoru).

 

 

Náhradní řešení pro neelektrikáře


Jediným, zato velkým problémem pro konstruktéry – neelektrikáře bude sehnání impulsního měniče, upravujícího vstupní napětí z akumulátoru (tj. 8.3 až 6.0 Voltu) na cca 5 Voltů, které potřebuje PDA. Většina automobilových adaptérů, které jsem v minulé konstrukci doporučoval, se s tak malým rozdílem napětí mezi vstupem a výstupem nevyrovná a není schopna pracovat. V mém případě pracuje vyrobený impulsní měnič v celkem slušném rozsahu 5.5 Voltu až 38 Voltů..

Jako náhradní řešení pro "netechniky" doporučuji nákup hotového záložního zdroje, např. APC Mobile Power Pack (různé typy podle kapacity). APC Mobile Power PackJejich výhodou je to, že se dodávají (většinou) i s napájecícm adaptérem 230/5 Voltů a propojovacím kabelem USB/miniUSB. Samotný modul je opatřen 2 konektory - pomocí miniUSB ho nabíjíte, poté kabel otočíte a na standardní konektor USB připojíte spotřebič. Jestliže použijete silnější akumulátor, dostanete se s výdrží ještě dále.

APC Mobile Power Pack

 

Používám tento modul (10 Wh) v zimě, pokud potřebuji někam pěšky asi na půl dne - dokáže "život" PDA prodloužit asi o 7 hodin. Nepoužívám ale ten propojovací kabel, jak je naznačeno na obrázku, ale zabudoval jsem přídavek do originálního držáku PDA, do kterého akumulátor pouze zasunu.

Moje úprava spočívá v odstranění kabelové propojky:

Upravený náhradní automobilový držák pro PDA

Upravený náhradní automobilový držák pro PDA Za vlastním držákem se nachází další část pro externí baterii. Celý povrch je polepen měkkou, porézní gumou, zlepšující uchycení držáku v ruce a v létě sající pot.

Upravený držák je uvnitř vabyven konektorem USB

Upravený držák je uvnitř vybaven konektorem USB, propojeným s vedlejším napájecím konektorem PDA

Zasunuté PDA v držáku s vloženou přídavnou baterií

držák s přídavnou baterií

Zasunuté PDA v držáku s vloženou přídavnou baterií

pohled shora

 

 

 

Poznámka k  možnosti výdrže takové „palubní sítě“ aneb jak zacházeti s LiOn baterií


Akumulátory Li-Ion mají toto napětí 3.6, resp. 3.7 Voltu uvedeno jako nominální, čili něco jako střední hodnota.

Akumulátor Li-Ion má po nabití napětí 4,1 – 4,2V na článek přičemž překročení této hodnoty vede ke zničení článku. Stejně tak vybití článku pod cca 2,9V je pro článek nepříznivé ( 2,3V je pro většinu LiOnek krajní mez, kdy dochází k nevratnému poškození článku. Konkrétní údaje je třeba najít v katalogovém listu používaného typu akumulátoru. Uvedené akumulátory 7.4V/6500mAh mají navíc vestavěný odpojovač zátěže při napětí akumulátoru cca 5.6 Voltu, tedy asi 2.8 Voltu/článek ).

Jestli je tedy na obalu uvedeno 3,7 nebo 3,6V je – vzhledem k uvedenému rozsahu - nepodstatné, některé Li-Ion články se nabíjejí až na 4,2V.

(Nabíjecí napětí je maximálně 4,2V na článek, které musí být dodrženo s přesností 1% - při nedodržení se vystavujete nebezpečí zničení článku), ten sice vydrží 4,25V ale zkracuje se mu životnost, při ještě větším napětí už hrozí jeho zničení.)

Lehký výpočet v mém případě – každý mnou použitý akumulátor lze univerzální nabíječkou nabít na 16.39 : 2 = 8.195 Voltu, tj. každý článek na přibližně 4.1 Voltu, což je v pořádku. ( Vyrábí se totiž 2 druhy – s uhlíkovou a grafitovou anodou (coke a graphit) které mají konečné nabíjecí napětí 4,1 a 4,2V. Starší typ (4,2V) se už nějakou dobu nepoužívá, takže současné lionky se nabíjí ze zdroje napětí 4,1V a s omezeným proudem. Dosažení o 5% vyššího napětí při nabíjení má za následek snížení životnosti akumulátoru na přibližně polovinu!).

Jestliže budeme brát 3 Volty na článek jako bezpečnou hranici pro ukončení vybíjení (přesněji řečeno – uhlíkové lze vybíjet do 2.5 Voltu, grafitové pouze do 3 Voltů!), měl by připojený voltmetr v okamžiku ukončení vybíjení ukazovat cca 12 Voltů, což se mu při plné zátěži zapnutým a rozsvíceným PDA s GPS podaří teoreticky asi za 72 hodin nepřetržitého provozu. (V reálném prostředí dosaženo asi 60 hodin nepřetržitého provozu, tj. při cca 10 hodinách/den asi 6 dnů bez dobíjení!). V nejhorším případě by mohl být zdroj vybíjen do 10 Voltů. (Akumulátory rozhodně nevybíjet pod 2,5V na článek – tato hodnota je mezní, lépe je dbát na to aby napětí nekleslo pod 3V, pokud si nejsme přesně jistí, jakého druhu máme LiOn akumulátory – viz například tento odkaz nebo i zde ). Všechny uvedené časy platí samozřejmě pro původní variantu mobilního zdroje se 2 akumulátory v sérii, u varianty 2 a 3 si časy musíte podělit dvěma.

Čeho se rozhodně vyvarovat při provozu Lion a LiPol baterií:

  • nabíjet více než 1C (násobek kapacity, pro 1500mA článek je maximální nabíjecí proud tedy 1,5A) . Výrobci doporučují max.1C – víc sice snesou, ale jen na vlastní riziko! Nebezpečí zničení baterie!
  • zkratovat vývody LiPol baterií , velký zkratový proud zničí totálně LiPol baterii – nebezpečí nafouknutí a roztržení baterie expandujícími plyny které jsou silně hořlavé!
  • používat zdeformované nebo jinak mechanicky poškozené články,
    pokud má článek proražený nebo zdeformovaný hliníkový obal, je nutné ho okamžitě přestat používat a vyřadit se sady. Hrozí požár unikajících plynů.
  • při nabíjení dbejte na to, aby nabíječka byla nastavena na správný počet článků! Nabíjení dvou článků napětím pro tříčlánek ho spolehlivě zničí a opět hrozí požár expandujících plynů.
  • na přívodní kabely nedávejte konektory, které lze navzájem spojit, i když mají různá napětí na svých vývodech, především děti si rády spojují kablíky, které do sebe zapadnou – věnujte pozornost kódování koncovek!

Praktické zkušenosti a doporučení pro práci s Li-On akumulátory

• je vyzkoušeno, že při dodržení doporučených parametrů nabíjení a vybíjení je životnost LiOn článku cca 200 nabíjecích cyklů, než jeho využitelná kapacita klesne na cca 80% . Dále je možné ho používat, ale se sníženými nároky na proud a kapacitu.

• každé snížení nabíjecího napětí o 0,1V znamená zmenšení využitelné kapacity zhruba o 10% . (Např. 2000mAh baterie nabitá na 4,1V bude mít tedy jen 1800mA, mnou použitá 6500mAh poklesne asi na 5900mAh).

• zároveň ale praktické zkušenosti ukazují, že pokud se LiPol článek během používání nabíjí na 4,1V a nevybíjí více než 3,2V , prodlouží to jeho životnost zhruba dvojnásobně, tedy asi na 400 cyklů (než jeho kapacita klesne na 80%).

• Chemické prostředí uvnitř článku je poměrně agresivní. Tím dochází k tomu, že článek pomalu degraduje, i když není používán. Praktická doba životnosti článku nepřesahuje 2 roky bez ohledu na to, zda článek byl používán nebo ne. Pokud tedy je článek používán intenzivně s rychlým sledem nabíjení a vybíjení, dosahuje mnohem větší počet použitelných cyklů, než článek, který je používán jen občas, takže se stačí sám vnitřně rozložit dříve, než dosáhne očekávaný počet nabití.

• Použítí omezovače nebo balanceru se ukazuje jako potřebné u AKUpacků, které mají 3 a více článků v sérii. U baterií se dvěma články (2S) většinou nedochází k rozcházení napětí – i tak je ale výhodné mít vyveden servisní konektor, pro občasné přeměření napětí článků.

• rozhodně lze doporučit nastavení regulátoru na pozvolný rozběh (min. 500ms, pokud to umožňuje), velké proudové špičky, které vznikají při prudkém přidání plynu přetěžují Li-xxx baterie a zkracují životnost.

 

 


Link: Toulky, wendabr, ailcik, navigace, OziExplorer, iPAQ 214, WiFi, Bluetooth, defender case, geocaching, REPLACE náhradní LiOn články, mobilní zdroje pro turisty, olověné AKU, gelové AKU, NiMH, tužkové články, rychlé dobíjení, pomalé dobíjení, lehké zdroje, DC-DC měnič, step-down converter, impulsní měniče,

(c) srpen - září 2008 TOULKY team - Brno Medlánky