power/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 <!-- 2020-07-12 Sun 02:52 -->
   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 attached 12V Lead-Acid
 246 battery. Lead-acid battery in turn provides high current when needed
 247 as well as power in portable situations or when mains electricity is
 248 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 !!!WARNING!!! I use USB-A connectors for power output, but IT IS NOT
 263 COMPATIBLE WITH USB DEVICES AND POSSIBLY WITH EXISTING USB CABLES.
 264 </p>
 265
 266 <p>
 267 Normal USB devices and cables should not be plugged in! It would
 268 damage device/cable and likely power supply.
 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="connector%20terminal/USB%20hack.png" class="img-responsive" alt="USB%20hack.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>
 286 protocol. Power supply simply passively links all data wires together
 287 but does not participate in communication.
 288 </p>
 289
 290 <p>
 291 Power supply uses 3D printed body with lots of holes, for fanless
 292 cooling.
 293 </p>
 294
 295
 296 <figure>
 297 <p><img src="body%20and%20covers/body,%201.png" class="img-responsive" alt="body,%201.png">
 298 </p>
 299 </figure>
 300
 301 <p>
 302 Various modules are realized on top of prototype PCBs that slide into
 303 dedicated rails within the body.
 304 </p>
 305
 306
 307 <figure>
 308 <p><img src="body%20and%20covers/body,%202.png" class="img-responsive" alt="body,%202.png">
 309 </p>
 310 </figure>
 311
 312 <p>
 313 Like this:
 314 </p>
 315
 316
 317 <figure>
 318 <p><img src="make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
 319 </p>
 320 </figure>
 321
 322 <p>
 323 When cover is closed, it blocks PCB movement:
 324 </p>
 325
 326
 327 <figure>
 328 <p><img src="body%20and%20covers/cover.png" class="img-responsive" alt="cover.png">
 329 </p>
 330 </figure>
 331
 332 <p>
 333 There is still some empty space inside, so why not add dummy cover on
 334 top that can be replaced later with add-on functionality/expansion
 335 board/terminal :)
 336 </p>
 337
 338
 339 <figure>
 340 <p><img src="body%20and%20covers/cover%20cover.png" class="img-responsive" alt="cover%20cover.png">
 341 </p>
 342 </figure>
 343
 344 <p>
 345 Download:
 346 </p>
 347 <ul class="org-ul">
 348 <li><a href="body%20and%20covers/body.stl">Body STL file</a>
 349 </li>
 350 <li><a href="body%20and%20covers/cover.stl">Big cover STL file</a>
 351 </li>
 352 <li><a href="body%20and%20covers/cover%20cover.stl">Small dummy cover on top, STL file</a>
 353 </li>
 354 <li><a href="body%20and%20covers/body%20and%20covers.FCStd">Body and covers FreeCAD project</a>
 355 </li>
 356 </ul>
 357 </div>
 358 </div>
 359
 360 <div id="outline-container-sec-3" class="outline-2">
 361 <h2 id="sec-3"><span class="section-number-2">3</span> Transformer and AC to DC converter</h2>
 362 <div class="outline-text-2" id="text-3">
 363 <p>
 364 This is where high voltage from mains electricity enters the system.
 365 </p>
 366
 367 <p>
 368 Schematic:
 369 <img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
 370 </p>
 371
 372 <p>
 373 For safety I kept high voltage section as minimal as possible. That
 374 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
 375 glue</a> for extra safety and isolation on PCB.
 376 </p>
 377
 378 <p>
 379 Power on/off switch operates on already reduced voltage of about 30
 380 volts. Power switch is located on <a href="#sec-6">indicator panel</a>.
 381 </p>
 382
 383
 384 <figure>
 385 <p><img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%201.png" class="img-responsive" alt="make,%201.png">
 386 </p>
 387 </figure>
 388
 389 <p>
 390 DC current of about 30 volts is then routed to <a href="#sec-4">Main board</a>.
 391 </p>
 392
 393
 394 <figure>
 395 <p><img src="transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
 396 </p>
 397 </figure>
 398
 399 <p>
 400 <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>.
 401 </p>
 402 </div>
 403 </div>
 404
 405 <div id="outline-container-sec-4" class="outline-2">
 406 <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>
 407 <div class="outline-text-2" id="text-4">
 408 <p>
 409 This is logically main board because it appears to be central hub that
 410 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
 411 voltage converters</a>.
 412 </p>
 413
 414
 415 <figure>
 416 <p><img src="main%20board/main%20board,%201.png" class="img-responsive" alt="main%20board,%201.png">
 417 </p>
 418 </figure>
 419
 420 <p>
 421 High-level schematic of entire device:
 422 <img src="main%20board/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
 423 </p>
 424
 425 <p>
 426 As seen from schematic, ~30 volts DC from transformer board is routed
 427 into first step-down converter that reduces it to about 15V. Reduced
 428 voltage is then directed to <a href="#sec-5">Current limiter circuit</a>. Current limiter
 429 loses about 2 volts. Now we have current and voltage limited power at
 430 about 13 volts. This power is used to charge connected 12V Lead-Acid
 431 battery. Also the same power is routed to <a href="#sec-7">connector terminal</a> to be
 432 consumed by connected devices.
 433 </p>
 434
 435 <p>
 436 As seen from this schematic, device is not meant to provide high
 437 current for long periods of time. Instead it gets comparatively
 438 limited current to charge the battery and feed devices with low
 439 current requirements. Occasional current spikes are backed up by
 440 battery that stays in use-changing mode.
 441 </p>
 442
 443 <p>
 444 Also about 13V output voltage is approximate and depends on connected
 445 battery charge level.
 446 </p>
 447
 448 <p>
 449 Second Step-Down converter reduces voltage even further to quite
 450 precisely 5V DC. This resulting voltage is also routed to <a href="#sec-7">connector
 451 terminal</a>.
 452 </p>
 453
 454 <p>
 455 Both 13V and 5V lines are also routed to <a href="#sec-6">indicator panel</a> for
 456 monitoring.
 457 </p>
 458
 459 <p>
 460 There is single on/off switch. In off position, it disconnects battery
 461 and transformer from the system effectively powering everything down.
 462 </p>
 463
 464 <p>
 465 On schematic above, some wires are annotated with numbers from 1
 466 to 13. This corresponds to output pins on the board.
 467 </p>
 468
 469
 470 <figure>
 471 <p><img src="main%20board/main%20board,%202.png" class="img-responsive" alt="main%20board,%202.png">
 472 </p>
 473 </figure>
 474 </div>
 475 </div>
 476 <div id="outline-container-sec-5" class="outline-2">
 477 <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>
 478 <div class="outline-text-2" id="text-5">
 479 <p>
 480 Schematic:
 481 <img src="current%20limiter/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
 482 </p>
 483
 484 <p>
 485 Simple LM317 based current limiter is used. I used 4.7 ohm
 486 resistor. It provides about 265 milliamps of current. See <a href="http://www.reuk.co.uk/wordpress/electric-circuit/lm317-current-calculator/">calculator</a>.
 487 </p>
 488
 489
 490 <figure>
 491 <p><img src="current%20limiter/current%20limiter,%201.png" class="img-responsive" alt="current%20limiter,%201.png">
 492 </p>
 493 </figure>
 494
 495 <p>
 496 Thermal paste below and UV hardening glue on top is used to attach
 497 LM317 to the heatsink. There is also jumper-like solution on top
 498 right. This is handy to attach multimeter tap to verify/monitor
 499 current during initial device calibration.
 500 </p>
 501
 502 <p>
 503 If attached battery is really empty, significant voltage drop can
 504 occur in LM317. Heatsink is needed to dissipate that power.
 505 </p>
 506
 507
 508 <figure>
 509 <p><img src="current%20limiter/current%20limiter,%202.png" class="img-responsive" alt="current%20limiter,%202.png">
 510 </p>
 511 </figure>
 512
 513 <p>
 514 Note: resistor gets hot too.
 515 </p>
 516 </div>
 517 </div>
 518
 519 <div id="outline-container-sec-6" class="outline-2">
 520 <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>
 521 <div class="outline-text-2" id="text-6">
 522
 523 <figure>
 524 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel,%201.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel,%201.png">
 525 </p>
 526 </figure>
 527
 528 <p>
 529 Basically 2 digital DC voltmeters and main on/off switch.
 530 </p>
 531
 532
 533 <figure>
 534 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel,%202.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel,%202.png">
 535 </p>
 536 </figure>
 537
 538 <p>
 539 Download:
 540 </p>
 541
 542
 543 <figure>
 544 <p><img src="indicator%20panel/indicator%20panel.png" class="img-responsive" alt="indicator%20panel.png">
 545 </p>
 546 </figure>
 547
 548 <ul class="org-ul">
 549 <li><a href="indicator%20panel/indicator%20panel.stl">STL file</a>
 550 </li>
 551 <li><a href="indicator%20panel/indicator%20panel.FCStd">FreeCAD project</a>
 552 </li>
 553 </ul>
 554 </div>
 555 </div>
 556
 557 <div id="outline-container-sec-7" class="outline-2">
 558 <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>
 559 <div class="outline-text-2" id="text-7">
 560 <p>
 561 Schematic:
 562 <img src="connector%20terminal/schematic.png" class="img-responsive" alt="schematic.png">
 563 </p>
 564
 565 <p>
 566 As seen above, most of the USB connectors are used to deliver dual
 567 power output and 1-wire data connectivity, except one on the bottom
 568 right. This is used to attach 12V battery. Some capacitors are thrown
 569 in as well to stabilize against smaller current spikes.
 570 </p>
 571
 572 <p>
 573 Electrically schematic is realized using smaller prototype PCBs.
 574 </p>
 575
 576
 577 <figure>
 578 <p><img src="connector%20terminal/make,%201.png" class="img-responsive" alt="make,%201.png">
 579 </p>
 580 </figure>
 581
 582
 583 <p>
 584 Those PCBs are wired to central small PCB that acts as a hub:
 585 </p>
 586
 587
 588 <figure>
 589 <p><img src="connector%20terminal/make,%202.png" class="img-responsive" alt="make,%202.png">
 590 </p>
 591 </figure>
 592
 593 <p>
 594 PCBs are held together by being sandwiched between front panel:
 595 </p>
 596
 597
 598 <figure>
 599 <p><img src="connector%20terminal/front%20panel.png" class="img-responsive" alt="front%20panel.png">
 600 </p>
 601 </figure>
 602
 603 <p>
 604 and smaller back-end plate:
 605 </p>
 606
 607
 608 <figure>
 609 <p><img src="connector%20terminal/back%20panel.png" class="img-responsive" alt="back%20panel.png">
 610 </p>
 611 </figure>
 612
 613 <p>
 614 Result:
 615 </p>
 616
 617
 618 <figure>
 619 <p><img src="connector%20terminal/make,%203.png" class="img-responsive" alt="make,%203.png">
 620 </p>
 621 </figure>
 622
 623
 624 <p>
 625 Download:
 626 </p>
 627 <ul class="org-ul">
 628 <li><a href="connector%20terminal/front%20panel.stl">front panel STL</a>
 629 </li>
 630 <li><a href="connector%20terminal/back%20panel.stl">back panel STL</a>
 631 </li>
 632 <li><a href="connector%20terminal/connector%20terminal.FCStd">FreeCAD project</a>
 633 </li>
 634 </ul>
 635 </div>
 636 </div>
 637
 638 <div id="outline-container-sec-8" class="outline-2">
 639 <h2 id="sec-8"><span class="section-number-2">8</span> Calibration</h2>
 640 <div class="outline-text-2" id="text-8">
 641 <p>
 642 Since device uses adjustable step-down modules, these need to be
 643 calibrated to provide correct output voltage. It is important that
 644 battery receives proper charging voltage otherwise either no charging
 645 occurs or battery starts gassing out and gets destroyed.
 646 </p>
 647
 648 <p>
 649 See here for more details: <a href="https://www.powerstream.com/SLA.htm">https://www.powerstream.com/SLA.htm</a>
 650 </p>
 651
 652 <hr >
 653
 654 <p>
 655 Happy building! :)
 656 </p>
 657 </div>
 658 </div>
 659 </div><div class="col-md-3"><nav id="table-of-contents">
 660 <div id="text-table-of-contents" class="bs-docs-sidebar">
 661 <ul class="nav">
 662 <li><a href="#sec-1">1. General</a></li>
 663 <li><a href="#sec-2">2. Project description</a></li>
 664 <li><a href="#sec-3">3. Transformer and AC to DC converter</a></li>
 665 <li><a href="#sec-4">4. Main board</a></li>
 666 <li><a href="#sec-5">5. Current limiter</a></li>
 667 <li><a href="#sec-6">6. Indicator panel</a></li>
 668 <li><a href="#sec-7">7. Connector terminal</a></li>
 669 <li><a href="#sec-8">8. Calibration</a></li>
 670 </ul>
 671 </div>
 672 </nav>
 673 </div></div></div>
 674 <footer id="postamble" class="">
 675 <div><p class="author">Author: Svjatoslav Agejenko</p>
 676 <p class="date">Created: 2020-07-12 Sun 02:52</p>
 677 <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>
 678 </div>
 679 </footer>
 680 </body>
 681 </html>