power/12V Lead-Acid battery changer and terminal/index.org

   1 #+TITLE: Battery charger and dual power supply unit
   2 #+AUTHOR: Svjatoslav Agejenko
   3 #+LANGUAGE: en
   4
   5 * (document settings) :noexport:
   6 ** use dark style for TWBS-HTML exporter
   7 #+HTML_HEAD: <link href="https://bootswatch.com/3/darkly/bootstrap.min.css" rel="stylesheet">
   8 #+HTML_HEAD: <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/jquery/1.11.3/jquery.min.js"></script>
   9 #+HTML_HEAD: <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/twitter-bootstrap/3.3.5/js/bootstrap.min.js"></script>
  10 #+HTML_HEAD: <style type="text/css">
  11 #+HTML_HEAD:   footer {background-color: #111 !important;}
  12 #+HTML_HEAD:   pre {background-color: #111; color: #ccc;}
  13 #+HTML_HEAD: </style>
  14
  15 * General
  16 + DISCLAIMER: I DO ELECTRONICS AND 3D DESIGN SOLELY AS A HOBBY. THERE
  17   COULD BE ERRORS THAT CAN RESULT IN ALL KINDS OF DAMAGE. USE THESE
  18   DESIGNS AT YOUR OWN RISK.
  19
  20 + This design is released under Creative Commons Zero (CC0) license.
  21
  22 + Authors:
  23   - Svjatoslav Agejenko
  24     - Homepage: https://svjatoslav.eu
  25     - Email: [[mailto://svjatoslav@svjatoslav.eu][svjatoslav@svjatoslav.eu]]
  26
  27   - Valeria Agejenko
  28
  29 + See also:
  30   - [[../../index.html][Other physical projects in this repository]]
  31   - [[https://www.svjatoslav.eu/projects/][Other projects hosted at svjatoslav.eu]]
  32
  33 * Project description
  34 I needed dual voltage power supply for my lab that runs on mains
  35 electricity (wall power) and slowly charges attached 12V Lead-Acid
  36 battery. Lead-acid battery in turn provides high current when needed
  37 as well as power in portable situations or when mains electricity is
  38 not available.
  39
  40 [[file:make.png]]
  41
  42 Power supply provides about 13 Volts and 5 Volts simultaneously.
  43
  44 !!!WARNING!!! I use USB-A connectors for power output, but IT IS NOT
  45 COMPATIBLE WITH USB DEVICES AND POSSIBLY WITH EXISTING USB CABLES.
  46
  47 Normal USB devices and cables should not be plugged in! It would
  48 damage device/cable and likely power supply.
  49
  50 I found USB-A connectors to be easily available, cheap, reliable and
  51 functional, so I re-purposed connector for my own needs but I'm using
  52 totally incompatible electrical wiring.
  53
  54 [[file:connector%20terminal/USB%20hack.png]]
  55
  56 As seen, it has dual voltage output. Additionally one wire is
  57 dedicated to data transmission and can be used with [[https://en.wikipedia.org/wiki/1-Wire][1-wire]]
  58 protocol. Power supply simply passively links all data wires together
  59 but does not participate in communication.
  60
  61 Power supply uses 3D printed body with lots of holes, for fanless
  62 cooling.
  63
  64 [[file:body%20and%20covers/body,%201.png]]
  65
  66 Various modules are realized on top of prototype PCBs that slide into
  67 dedicated rails within the body.
  68
  69 [[file:body%20and%20covers/body,%202.png]]
  70
  71 Like this:
  72
  73 [[file:make,%202.png]]
  74
  75 When cover is closed, it blocks PCB movement:
  76
  77 [[file:body%20and%20covers/cover.png]]
  78
  79 There is still some empty space inside, so why not add dummy cover on
  80 top that can be replaced later with add-on functionality/expansion
  81 board/terminal :)
  82
  83 [[file:body%20and%20covers/cover%20cover.png]]
  84
  85 Download:
  86 + [[file:body%20and%20covers/body.stl][Body STL file]]
  87 + [[file:body%20and%20covers/cover.stl][Big cover STL file]]
  88 + [[file:body%20and%20covers/cover%20cover.stl][Small dummy cover on top, STL file]]
  89 + [[file:body%20and%20covers/body%20and%20covers.FCStd][Body and covers FreeCAD project]]
  90
  91 * Transformer and AC to DC converter
  92
  93 This is where high voltage from mains electricity enters the system.
  94
  95 Schematic:
  96 [[file:transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/schematic.png]]
  97
  98 For safety I kept high voltage section as minimal as possible. That
  99 is, wall plug runs straight into transformer. Also I used [[https://www.amazon.de/gp/product/B07VGQKM3G/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o06_s00?ie=UTF8&psc=1][UV hardening
 100 glue]] for extra safety and isolation on PCB.
 101
 102 Power on/off switch operates on already reduced voltage of about 30
 103 volts. Power switch is located on [[id:c9a69490-f920-4a31-b32e-b101bfc3d01b][indicator panel]].
 104
 105 [[file:transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%201.png]]
 106
 107 DC current of about 30 volts is then routed to [[id:65d68227-4bf2-4c4f-b4d3-c390bc6a9c34][Main board]].
 108
 109 [[file:transformer%20and%20AC%20DC%20converter%20board/make,%202.png]]
 110
 111 [[https://www.amazon.de/gp/product/B07RLQH5TR/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o07_s00?ie=UTF8&psc=1][Single sided prototype PCB is used]].
 112
 113 * Main board
 114 :PROPERTIES:
 115 :ID:       65d68227-4bf2-4c4f-b4d3-c390bc6a9c34
 116 :END:
 117
 118 This is logically main board because it appears to be central hub that
 119 connects all components. It also houses 2 [[https://www.amazon.de/gp/product/B072MQYJ93/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o04_s00?ie=UTF8&psc=1][adjustable DC-DC Step Down
 120 voltage converters]].
 121
 122 [[file:main%20board/main%20board,%201.png]]
 123
 124 High-level schematic of entire device:
 125 [[file:main%20board/schematic.png]]
 126
 127 As seen from schematic, ~30 volts DC from transformer board is routed
 128 into first step-down converter that reduces it to about 15V. Reduced
 129 voltage is then directed to [[id:afc22d23-9bc4-421c-9cac-e0ce34bd36bc][Current limiter circuit]]. Current limiter
 130 loses about 2 volts. Now we have current and voltage limited power at
 131 about 13 volts. This power is used to charge connected 12V Lead-Acid
 132 battery. Also the same power is routed to [[id:e33940bd-652f-4ec0-b53b-1c03e16941c8][connector terminal]] to be
 133 consumed by connected devices.
 134
 135 As seen from this schematic, device is not meant to provide high
 136 current for long periods of time. Instead it gets comparatively
 137 limited current to charge the battery and feed devices with low
 138 current requirements. Occasional current spikes are backed up by
 139 battery that stays in use-changing mode.
 140
 141 Also about 13V output voltage is approximate and depends on connected
 142 battery charge level.
 143
 144 Second Step-Down converter reduces voltage even further to quite
 145 precisely 5V DC. This resulting voltage is also routed to [[id:e33940bd-652f-4ec0-b53b-1c03e16941c8][connector
 146 terminal]].
 147
 148 Both 13V and 5V lines are also routed to [[id:c9a69490-f920-4a31-b32e-b101bfc3d01b][indicator panel]] for
 149 monitoring.
 150
 151 There is single on/off switch. In off position, it disconnects battery
 152 and transformer from the system effectively powering everything down.
 153
 154 On schematic above, some wires are annotated with numbers from 1
 155 to 13. This corresponds to output pins on the board.
 156
 157 [[file:main%20board/main%20board,%202.png]]
 158 * Current limiter
 159 :PROPERTIES:
 160 :ID:       afc22d23-9bc4-421c-9cac-e0ce34bd36bc
 161 :END:
 162
 163 Schematic:
 164 [[file:current%20limiter/schematic.png]]
 165
 166 Simple LM317 based current limiter is used. I used 4.7 ohm
 167 resistor. It provides about 265 milliamps of current. See [[http://www.reuk.co.uk/wordpress/electric-circuit/lm317-current-calculator/][calculator]].
 168
 169 [[file:current%20limiter/current%20limiter,%201.png]]
 170
 171 Thermal paste below and UV hardening glue on top is used to attach
 172 LM317 to the heatsink. There is also jumper-like solution on top
 173 right. This is handy to attach multimeter tap to verify/monitor
 174 current during initial device calibration.
 175
 176 If attached battery is really empty, significant voltage drop can
 177 occur in LM317. Heatsink is needed to dissipate that power.
 178
 179 [[file:current%20limiter/current%20limiter,%202.png]]
 180
 181 Note: resistor gets hot too.
 182
 183 * Indicator panel
 184 :PROPERTIES:
 185 :ID:       c9a69490-f920-4a31-b32e-b101bfc3d01b
 186 :END:
 187
 188 [[file:indicator%20panel/indicator%20panel,%201.png]]
 189
 190 Basically 2 digital DC voltmeters and main on/off switch.
 191
 192 [[file:indicator%20panel/indicator%20panel,%202.png]]
 193
 194 Download:
 195
 196 [[file:indicator%20panel/indicator%20panel.png]]
 197
 198 + [[file:indicator%20panel/indicator%20panel.stl][STL file]]
 199 + [[file:indicator%20panel/indicator%20panel.FCStd][FreeCAD project]]
 200
 201 * Connector terminal
 202 :PROPERTIES:
 203 :ID:       e33940bd-652f-4ec0-b53b-1c03e16941c8
 204 :END:
 205
 206 Schematic:
 207 [[file:connector%20terminal/schematic.png]]
 208
 209 As seen above, most of the USB connectors are used to deliver dual
 210 power output and 1-wire data connectivity, except one on the bottom
 211 right. This is used to attach 12V battery. Some capacitors are thrown
 212 in as well to stabilize against smaller current spikes.
 213
 214 Electrically schematic is realized using smaller prototype PCBs.
 215
 216 [[file:connector%20terminal/make,%201.png]]
 217
 218
 219 Those PCBs are wired to central small PCB that acts as a hub:
 220
 221 [[file:connector%20terminal/make,%202.png]]
 222
 223 PCBs are held together by being sandwiched between front panel:
 224
 225 [[file:connector%20terminal/front%20panel.png]]
 226
 227 and smaller back-end plate:
 228
 229 [[file:connector%20terminal/back%20panel.png]]
 230
 231 Result:
 232
 233 [[file:connector%20terminal/make,%203.png]]
 234
 235
 236 Download:
 237 + [[file:connector%20terminal/front%20panel.stl][front panel STL]]
 238 + [[file:connector%20terminal/back%20panel.stl][back panel STL]]
 239 + [[file:connector%20terminal/connector%20terminal.FCStd][FreeCAD project]]
 240
 241 * Calibration
 242
 243 Since device uses adjustable step-down modules, these need to be
 244 calibrated to provide correct output voltage. It is important that
 245 battery receives proper charging voltage otherwise either no charging
 246 occurs or battery starts gassing out and gets destroyed.
 247
 248 See here for more details: https://www.powerstream.com/SLA.htm
 249
 250 -----
 251
 252 Happy building! :)