755b5eba3fc9d2c6f7ab5031cac1cc7d33f6c11e
[physical.git] / misc / 12V Lead-Acid battery changer and terminal / index.html
1 <!doctype html>
2 <html lang="en">
3 <head>
4 <title>Battery charger and dual power supply unit</title>
5 <!-- 2021-01-03 P 00:39 -->
6 <meta charset="utf-8">
7 <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
8 <meta name="generator" content="Org-mode">
9 <meta name="author" content="Svjatoslav Agejenko">
10 <link href="https://bootswatch.com/3/darkly/bootstrap.min.css" rel="stylesheet">
11 <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/jquery/1.11.3/jquery.min.js"></script>
12 <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/twitter-bootstrap/3.3.5/js/bootstrap.min.js"></script>
13 <style type="text/css">
14 footer {background-color: #111 !important;}
15 pre {background-color: #111; color: #ccc;}
16 </style>
17 <style type="text/css">
18 /* org mode styles on top of twbs */
19
20 html {
21     position: relative;
22     min-height: 100%;
23 }
24
25 body {
26     font-size: 18px;
27     margin-bottom: 105px;
28 }
29
30 footer {
31     position: absolute;
32     bottom: 0;
33     width: 100%;
34     height: 101px;
35     background-color: #f5f5f5;
36 }
37
38 footer > div {
39     padding: 10px;
40 }
41
42 footer p {
43     margin: 0 0 5px;
44     text-align: center;
45     font-size: 16px;
46 }
47
48 #table-of-contents {
49     margin-top: 20px;
50     margin-bottom: 20px;
51 }
52
53 blockquote p {
54     font-size: 18px;
55 }
56
57 pre {
58     font-size: 16px;
59 }
60
61 .footpara {
62     display: inline-block;
63 }
64
65 figcaption {
66   font-size: 16px;
67   color: #666;
68   font-style: italic;
69   padding-bottom: 15px;
70 }
71
72 /* from twbs docs */
73
74 .bs-docs-sidebar.affix {
75     position: static;
76 }
77 @media (min-width: 768px) {
78     .bs-docs-sidebar {
79         padding-left: 20px;
80     }
81 }
82
83 /* All levels of nav */
84 .bs-docs-sidebar .nav > li > a {
85     display: block;
86     padding: 4px 20px;
87     font-size: 14px;
88     font-weight: 500;
89     color: #999;
90 }
91 .bs-docs-sidebar .nav > li > a:hover,
92 .bs-docs-sidebar .nav > li > a:focus {
93     padding-left: 19px;
94     color: #A1283B;
95     text-decoration: none;
96     background-color: transparent;
97     border-left: 1px solid #A1283B;
98 }
99 .bs-docs-sidebar .nav > .active > a,
100 .bs-docs-sidebar .nav > .active:hover > a,
101 .bs-docs-sidebar .nav > .active:focus > a {
102     padding-left: 18px;
103     font-weight: bold;
104     color: #A1283B;
105     background-color: transparent;
106     border-left: 2px solid #A1283B;
107 }
108
109 /* Nav: second level (shown on .active) */
110 .bs-docs-sidebar .nav .nav {
111     display: none; /* Hide by default, but at >768px, show it */
112     padding-bottom: 10px;
113 }
114 .bs-docs-sidebar .nav .nav > li > a {
115     padding-top: 1px;
116     padding-bottom: 1px;
117     padding-left: 30px;
118     font-size: 12px;
119     font-weight: normal;
120 }
121 .bs-docs-sidebar .nav .nav > li > a:hover,
122 .bs-docs-sidebar .nav .nav > li > a:focus {
123     padding-left: 29px;
124 }
125 .bs-docs-sidebar .nav .nav > .active > a,
126 .bs-docs-sidebar .nav .nav > .active:hover > a,
127 .bs-docs-sidebar .nav .nav > .active:focus > a {
128     padding-left: 28px;
129     font-weight: 500;
130 }
131
132 /* Nav: third level (shown on .active) */
133 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav {
134     padding-bottom: 10px;
135 }
136 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > li > a {
137     padding-top: 1px;
138     padding-bottom: 1px;
139     padding-left: 40px;
140     font-size: 12px;
141     font-weight: normal;
142 }
143 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > li > a:hover,
144 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > li > a:focus {
145     padding-left: 39px;
146 }
147 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > .active > a,
148 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > .active:hover > a,
149 .bs-docs-sidebar .nav .nav .nav > .active:focus > a {
150     padding-left: 38px;
151     font-weight: 500;
152 }
153
154 /* Show and affix the side nav when space allows it */
155 @media (min-width: 992px) {
156     .bs-docs-sidebar .nav > .active > ul {
157         display: block;
158     }
159     /* Widen the fixed sidebar */
160     .bs-docs-sidebar.affix,
161     .bs-docs-sidebar.affix-bottom {
162         width: 213px;
163     }
164     .bs-docs-sidebar.affix {
165         position: fixed; /* Undo the static from mobile first approach */
166         top: 20px;
167     }
168     .bs-docs-sidebar.affix-bottom {
169         position: absolute; /* Undo the static from mobile first approach */
170     }
171     .bs-docs-sidebar.affix .bs-docs-sidenav,.bs-docs-sidebar.affix-bottom .bs-docs-sidenav {
172         margin-top: 0;
173         margin-bottom: 0
174     }
175 }
176 @media (min-width: 1200px) {
177     /* Widen the fixed sidebar again */
178     .bs-docs-sidebar.affix-bottom,
179     .bs-docs-sidebar.affix {
180         width: 263px;
181     }
182 }
183 </style>
184 <script type="text/javascript">
185 $(function() {
186     'use strict';
187
188     $('.bs-docs-sidebar li').first().addClass('active');
189
190     $(document.body).scrollspy({target: '.bs-docs-sidebar'});
191
192     $('.bs-docs-sidebar').affix();
193 });
194 </script>
195 </head>
196 <body>
197 <div id="content" class="container">
198 <div class="row"><div class="col-md-9"><h1 class="title">Battery charger and dual power supply unit</h1>
199
200 <div id="outline-container-sec-1" class="outline-2">
201 <h2 id="sec-1"><span class="section-number-2">1</span> General</h2>
202 <div class="outline-text-2" id="text-1">
203 <ul class="org-ul">
204 <li>DISCLAIMER: I DO ELECTRONICS AND 3D DESIGN SOLELY AS A HOBBY. THERE
205 COULD BE ERRORS THAT CAN RESULT IN ALL KINDS OF DAMAGE. USE THESE
206 DESIGNS AT YOUR OWN RISK.
207 </li>
208
209 <li>This design is released under Creative Commons Zero (CC0) license.
210 </li>
211
212 <li>Authors:
213 <ul class="org-ul">
214 <li>Svjatoslav Agejenko
215 <ul class="org-ul">
216 <li>Homepage: <a href="https://svjatoslav.eu">https://svjatoslav.eu</a>
217 </li>
218 <li>Email: <a href="mailto://svjatoslav@svjatoslav.eu">svjatoslav@svjatoslav.eu</a>
219 </li>
220 </ul>
221 </li>
222
223 <li>Valeria Agejenko
224 </li>
225 </ul>
226 </li>
227
228 <li>See also:
229 <ul class="org-ul">
230 <li><a href="../../index.html">Other physical projects in this repository</a>
231 </li>
232 <li><a href="https://www.svjatoslav.eu/projects/">Other projects hosted at svjatoslav.eu</a>
233 </li>
234 </ul>
235 </li>
236 </ul>
237 </div>
238 </div>
239
240 <div id="outline-container-sec-2" class="outline-2">
241 <h2 id="sec-2"><span class="section-number-2">2</span> Project description</h2>
242 <div class="outline-text-2" id="text-2">
243 <p>
244 I needed dual voltage power supply for my lab that runs on mains
245 electricity (wall power) and slowly charges (use-changing) attached
246 12V Lead-Acid battery. Lead-acid battery in turn provides high current
247 when needed as well as power in portable situations or when mains
248 electricity is not available.
249 </p>
250
251
252 <figure>
253 <p><img src="make.png" class="img-responsive" alt="make.png">
254 </p>
255 </figure>
256
257 <p>
258 Power supply provides about 13 Volts and 5 Volts simultaneously.
259 </p>
260
261 <p>
262 <b>!!!WARNING!!!</b> <a href="../alternative%20USB%20layout/">Alternative and incompatible USB wiring/layout</a> is
263 being used here.
264 </p>
265
266 <p>
267 <b>Normal USB devices and cables should not be plugged in! It would
268 damage device/cable and likely power supply.</b>
269 </p>
270
271 <p>
272 I found USB-A connectors to be easily available, cheap, reliable and
273 functional, so I re-purposed connector for my own needs but I'm using
274 totally incompatible electrical wiring.
275 </p>
276
277
278 <figure>
279 <p><img src="../alternative%20USB%20layout/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
280 </p>
281 </figure>
282
283 <p>
284 As seen, it has dual voltage output. Additionally one wire is
285 dedicated to data transmission and can be used with <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/1-Wire">1-Wire</a> protocol
286 </p>
287
288 <p>
289 1-Wire data router/hub is really simple. Power supply simply passively
290 links all data wires together.
291 </p>
292
293 <p>
294 Power supply uses 3D printed body with lots of holes, for fanless
295 cooling.
296 </p>
297
298
299 <figure>
300 <p><img src="body%20and%20covers/body,%201.png" class="img-responsive" alt="body,%201.png">
301 </p>
302 </figure>
303
304 <p>
305 Various modules are realized on top of prototype PCBs that slide into
306 dedicated rails within the body.
307 </p>
308
309
310 <figure>
311 <p><img src="body%20and%20covers/body,%202.png" class="img-responsive" alt="body,%202.png">
312 </p>
313 </figure>
314
315 <p>
316 Like this:
317 </p>
318
319
320 <figure>
321 <p><img src="make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
322 </p>
323 </figure>
324
325 <p>
326 When cover is closed, it blocks PCB movement:
327 </p>
328
329
330 <figure>
331 <p><img src="body%20and%20covers/cover.png" class="img-responsive" alt="cover.png">
332 </p>
333 </figure>
334
335 <p>
336 There is still some empty space inside, so why not add dummy cover on
337 top that can be replaced later with add-on functionality/expansion
338 board/terminal :)
339 </p>
340
341
342 <figure>
343 <p><img src="body%20and%20covers/cover%20cover.png" class="img-responsive" alt="cover%20cover.png">
344 </p>
345 </figure>
346
347 <p>
348 Download:
349 </p>
350 <ul class="org-ul">
351 <li><a href="body%20and%20covers/body.stl">Body STL file</a>
352 </li>
353 <li><a href="body%20and%20covers/cover.stl">Big cover STL file</a>
354 </li>
355 <li><a href="body%20and%20covers/cover%20cover.stl">Small dummy cover on top, STL file</a>
356 </li>
357 <li><a href="body%20and%20covers/body%20and%20covers.FCStd">Body and covers FreeCAD project</a>
358 </li>
359 </ul>
360 </div>
361 </div>
362
363 <div id="outline-container-sec-3" class="outline-2">
364 <h2 id="sec-3"><span class="section-number-2">3</span> Transformer and AC to DC converter</h2>
365 <div class="outline-text-2" id="text-3">
366 <p>
367 This is where high voltage from mains electricity enters the system.
368 </p>
369
370 <p>
371 Schematic:
372 <img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
373 </p>
374
375 <p>
376 For safety I kept high voltage section as minimal as possible. That
377 is, wall plug runs straight into transformer. Also I used <a href="https://www.amazon.de/gp/product/B07VGQKM3G/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o06_s00?ie=UTF8&amp;psc=1">UV hardening
378 glue</a> for extra safety and isolation on PCB.
379 </p>
380
381 <p>
382 Power on/off switch operates on already reduced voltage of about 30
383 volts. Power switch is located on <a href="#sec-6">indicator panel</a>.
384 </p>
385
386
387 <figure>
388 <p><img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%201.png" class="img-responsive" alt="make,%201.png">
389 </p>
390 </figure>
391
392 <p>
393 DC current of about 30 volts is then routed to <a href="#sec-4">Main board</a>.
394 </p>
395
396
397 <figure>
398 <p><img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
399 </p>
400 </figure>
401
402 <p>
403 <a href="https://www.amazon.de/gp/product/B07RLQH5TR/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o07_s00?ie=UTF8&amp;psc=1">Single sided prototype PCB is used</a>.
404 </p>
405 </div>
406 </div>
407
408 <div id="outline-container-sec-4" class="outline-2">
409 <h2 id="sec-4"><a id="ID-65d68227-4bf2-4c4f-b4d3-c390bc6a9c34" name="ID-65d68227-4bf2-4c4f-b4d3-c390bc6a9c34"></a><span class="section-number-2">4</span> Main board</h2>
410 <div class="outline-text-2" id="text-4">
411 <p>
412 This is logically main board because it appears to be central hub that
413 connects all components. It also houses 2 <a href="https://www.amazon.de/gp/product/B072MQYJ93/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o04_s00?ie=UTF8&amp;psc=1">adjustable DC-DC Step Down
414 voltage converters</a>.
415 </p>
416
417
418 <figure>
419 <p><img src="main%20board/main%20board,%201.png" class="img-responsive" alt="main%20board,%201.png">
420 </p>
421 </figure>
422
423 <p>
424 High-level schematic of entire device:
425 <img src="main%20board/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
426 </p>
427
428 <p>
429 As seen from schematic, ~30 volts DC from transformer board is routed
430 into first step-down converter that reduces it to about 15V. Reduced
431 voltage is then directed to <a href="#sec-5">Current limiter circuit</a>. Current limiter
432 loses about 2 volts. Now we have current and voltage limited power at
433 about 13 volts. This power is used to charge connected 12V Lead-Acid
434 battery. Also the same power is routed to <a href="#sec-7">connector terminal</a> to be
435 consumed by connected devices.
436 </p>
437
438 <p>
439 As seen from this schematic, device is not meant to provide high
440 current for long periods of time. Instead it gets comparatively
441 limited current to charge the battery and feed devices with low
442 current requirements. Occasional current spikes are backed up by
443 battery that stays in use-changing mode.
444 </p>
445
446 <p>
447 Also about 13V output voltage is approximate and depends on connected
448 battery charge level.
449 </p>
450
451 <p>
452 Second Step-Down converter reduces voltage even further to quite
453 precisely 5V DC. This resulting voltage is also routed to <a href="#sec-7">connector
454 terminal</a>.
455 </p>
456
457 <p>
458 Both 13V and 5V lines are also routed to <a href="#sec-6">indicator panel</a> for
459 monitoring.
460 </p>
461
462 <p>
463 There is single on/off switch. In off position, it disconnects battery
464 and transformer from the system effectively powering everything down.
465 </p>
466
467 <p>
468 On schematic above, some wires are annotated with numbers from 1
469 to 13. This corresponds to output pins on the board.
470 </p>
471
472
473 <figure>
474 <p><img src="main%20board/main%20board,%202.png" class="img-responsive" alt="main%20board,%202.png">
475 </p>
476 </figure>
477 </div>
478 </div>
479 <div id="outline-container-sec-5" class="outline-2">
480 <h2 id="sec-5"><a id="ID-afc22d23-9bc4-421c-9cac-e0ce34bd36bc" name="ID-afc22d23-9bc4-421c-9cac-e0ce34bd36bc"></a><span class="section-number-2">5</span> Current limiter</h2>
481 <div class="outline-text-2" id="text-5">
482 <p>
483 Schematic:
484 <img src="current%20limiter/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
485 </p>
486
487 <p>
488 Simple LM317 based current limiter is used. I used 4.7 ohm
489 resistor. It provides about 265 milliamps of current. See <a href="http://www.reuk.co.uk/wordpress/electric-circuit/lm317-current-calculator/">calculator</a>.
490 </p>
491
492
493 <figure>
494 <p><img src="current%20limiter/current%20limiter,%201.png" class="img-responsive" alt="current%20limiter,%201.png">
495 </p>
496 </figure>
497
498 <p>
499 Thermal paste below and UV hardening glue on top is used to attach
500 LM317 to the heatsink. There is also jumper-like solution on top
501 right. This is handy to attach multimeter tap to verify/monitor
502 current during initial device calibration.
503 </p>
504
505 <p>
506 If attached battery is really empty, significant voltage drop can
507 occur in LM317. Heatsink is needed to dissipate that power.
508 </p>
509
510
511 <figure>
512 <p><img src="current%20limiter/current%20limiter,%202.png" class="img-responsive" alt="current%20limiter,%202.png">
513 </p>
514 </figure>
515
516 <p>
517 Note: resistor gets hot too.
518 </p>
519 </div>
520 </div>
521
522 <div id="outline-container-sec-6" class="outline-2">
523 <h2 id="sec-6"><a id="ID-c9a69490-f920-4a31-b32e-b101bfc3d01b" name="ID-c9a69490-f920-4a31-b32e-b101bfc3d01b"></a><span class="section-number-2">6</span> Indicator panel</h2>
524 <div class="outline-text-2" id="text-6">
525
526 <figure>
527 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel,%201.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel,%201.png">
528 </p>
529 </figure>
530
531 <p>
532 Basically 2 digital DC voltmeters and main on/off switch.
533 </p>
534
535
536 <figure>
537 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel,%202.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel,%202.png">
538 </p>
539 </figure>
540
541 <p>
542 Download:
543 </p>
544
545
546 <figure>
547 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel.png">
548 </p>
549 </figure>
550
551 <ul class="org-ul">
552 <li><a href="indicator%20panel/indicator%20panel.stl">STL file</a>
553 </li>
554 <li><a href="indicator%20panel/indicator%20panel.FCStd">FreeCAD project</a>
555 </li>
556 </ul>
557 </div>
558 </div>
559
560 <div id="outline-container-sec-7" class="outline-2">
561 <h2 id="sec-7"><a id="ID-e33940bd-652f-4ec0-b53b-1c03e16941c8" name="ID-e33940bd-652f-4ec0-b53b-1c03e16941c8"></a><span class="section-number-2">7</span> Connector terminal</h2>
562 <div class="outline-text-2" id="text-7">
563 <p>
564 Schematic:
565 <img src="connector%20terminal/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
566 </p>
567
568 <p>
569 As seen above, most of the USB connectors are used to deliver dual
570 power output and 1-wire data connectivity, except one on the bottom
571 right. This is used to attach 12V battery. Some capacitors are thrown
572 in as well to stabilize against smaller current spikes.
573 </p>
574
575 <p>
576 Electrically schematic is realized using smaller prototype PCBs.
577 </p>
578
579
580 <figure>
581 <p><img src="connector%20terminal/make,%201.png" class="img-responsive" alt="make,%201.png">
582 </p>
583 </figure>
584
585
586 <p>
587 Those PCBs are wired to central small PCB that acts as a hub:
588 </p>
589
590
591 <figure>
592 <p><img src="connector%20terminal/make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
593 </p>
594 </figure>
595
596 <p>
597 PCBs are held together by being sandwiched between front panel:
598 </p>
599
600
601 <figure>
602 <p><img src="connector%20terminal/front%20panel.png" class="img-responsive" alt="front%20panel.png">
603 </p>
604 </figure>
605
606 <p>
607 and smaller back-end plate:
608 </p>
609
610
611 <figure>
612 <p><img src="connector%20terminal/back%20panel.png" class="img-responsive" alt="back%20panel.png">
613 </p>
614 </figure>
615
616 <p>
617 Result:
618 </p>
619
620
621 <figure>
622 <p><img src="connector%20terminal/make,%203.png" class="img-responsive" alt="make,%203.png">
623 </p>
624 </figure>
625
626
627 <p>
628 Download:
629 </p>
630 <ul class="org-ul">
631 <li><a href="connector%20terminal/front%20panel.stl">front panel STL</a>
632 </li>
633 <li><a href="connector%20terminal/back%20panel.stl">back panel STL</a>
634 </li>
635 <li><a href="connector%20terminal/connector%20terminal.FCStd">FreeCAD project</a>
636 </li>
637 </ul>
638 </div>
639 </div>
640
641 <div id="outline-container-sec-8" class="outline-2">
642 <h2 id="sec-8"><span class="section-number-2">8</span> Calibration</h2>
643 <div class="outline-text-2" id="text-8">
644 <p>
645 Since device uses adjustable step-down modules, these need to be
646 calibrated to provide correct output voltage. It is important that
647 battery receives proper charging voltage otherwise either no charging
648 occurs or battery starts gassing out and gets destroyed.
649 </p>
650
651 <p>
652 See here for more details: <a href="https://www.powerstream.com/SLA.htm">https://www.powerstream.com/SLA.htm</a>
653 </p>
654
655 <hr >
656
657 <p>
658 Happy building! :)
659 </p>
660 </div>
661 </div>
662 </div><div class="col-md-3"><nav id="table-of-contents">
663 <div id="text-table-of-contents" class="bs-docs-sidebar">
664 <ul class="nav">
665 <li><a href="#sec-1">1. General</a></li>
666 <li><a href="#sec-2">2. Project description</a></li>
667 <li><a href="#sec-3">3. Transformer and AC to DC converter</a></li>
668 <li><a href="#sec-4">4. Main board</a></li>
669 <li><a href="#sec-5">5. Current limiter</a></li>
670 <li><a href="#sec-6">6. Indicator panel</a></li>
671 <li><a href="#sec-7">7. Connector terminal</a></li>
672 <li><a href="#sec-8">8. Calibration</a></li>
673 </ul>
674 </div>
675 </nav>
676 </div></div></div>
677 <footer id="postamble" class="">
678 <div><p class="author">Author: Svjatoslav Agejenko</p>
679 <p class="date">Created: 2021-01-03 P 00:39</p>
680 <p class="creator"><a href="http://www.gnu.org/software/emacs/">Emacs</a> 26.1 (<a href="http://orgmode.org">Org-mode</a> 9.1.9)</p>
681 </div>
682 </footer>
683 </body>
684 </html>