اتصال کوتاه

.

.

چندی پیش وقت تعویض روغن خودرو داشتم. پس از پایان کار، استاد مکانیک یک دستگاه کوچک شارژر باتری به مشتری باوفایش، که من باشم، داد و از من خواست آن را تعمیر کنم. یک دستگاه خوب با نام شرکت معروف آلمانی «بوش» که او، به گفته‌ی خودش، آن را  در حدود سال 1370 در سفر به آلمان خریده و با خود آورده بود. دستگاهی که بدون کوچک‌ترین مشکلی یک ربع قرن به او خدمت کرده بود، حالا به دلیل نامعلومی از کار افتاده و دست استاد مکانیک را بسته است. حالا، بنا به آن گفته‌ی خردمندانه که: «دست‌ها یکدیگر را می‌شویند» نوبت من است که فرصت را غنیمت شمرده و از زحمت سالیانِ استاد مکانیک سپاس‌گزاری کنم.

.

نگاهی به این شارژر

.

در اولین فرصت به بررسی دستگاه پرداختم. با وجود این که دستگاه نسبتاً تمیز نگه‌داری شده بود، اما، پیش از هر چیز آن را با وسواس زیاد تمیز کردم تا اثری از جرم سیاهی که در هر صورت برای ابزار کار گاراژ طبیعی هست، بر آن باقی نماند. حالا دستگاه پاک و پاکیزه است و می‌شود بدون سیاه شدن انگشتان به آن دست زد!

از نظر ظاهری دستگاه در وضعیت خیلی خوبی قرار داشت. بدنه‌ی آن سالم بود و هیچ اثری از شکستگی در آن دیده نمی‌شد. تنها چیزی که در گذر این عمر 25 ساله به خوبی دوام نیاورده بود، برچسب جلویی دستگاه بود که در حاشیه‌ی بالا و پایین تا حدودی تغییر فرم داده و از بدنه‌ی شارژر جدا شده بود. جنس برچسب از نوعی فویل پلاستیکی ضخیم‌تر از معمول بود و درست پشت منطقه‌ای قرار داشت که ترانسفورماتور و فیبر مدار چاپی دستگاه در داخل جعبه نصب شده بودند. این موضوع می توانست دلیل جدا شدن برچسب به مرور زمان را روشن کند: گرم شدن ترانس و الکترونیکِ دستگاه و وا دادن چسبِ پشت برچسب.

.

.

اما، گذشته از وضعیت فیزیکی برچسب، آنچه که بر آن نگاشته شده، حاوی اطلاعات زیادی برای کاربر است. در نگاه نخست، مارک و لوگوی دستگاه است که به چشم می خورد: «بوش» آلمان که بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ی تجهیزات، سامانه‌ها و افزاره‌های الکتریکی و الکترونیکی خودرو در آلمان است. مدل دستگاه KL 1206 E است، با برق 230 ولت 50 یا 60 هرتز کار می‌کند و خروجی آن 4 آمپر (میانگین حسابی) و 85 وات است.

نکته‌ی دیگر این که این شارژر برای انباره‌های 12 ولتی قابل استفاده است و می‌تواند همه‌ی انواع باتری‌های 12 ولتی خودروهای سواری، وانت، و همچنین باتری‌های موتور و تراکتور را شارژ کند. ولتاژ شارژ به شکل یک موج دندانه اره‌ای است.

برای نمایش وضعیت کاری شارژر، سه دیود‌نوری از این برچسب بیرون زده است: دیود قرمز فقط نشان می‌دهد که آیا دستگاه به برق وصل هست یا خیر. روشن بودن یا چشمک زدن دیود زرد نمایشگر «در حال شارژ بودن» باتری است. با روشن شدن دیود سبز رنگ، پایان یافتن چرخه ی شارژ باتری اعلان می‌شود.

علامت‌های سمت چپ پایین برچسب نشان می‌دهد که این دستگاه دارای مهر تایید استاندار «توف» (TÜV) آلمان و استانداردهای چندین کشور دیگر اروپایی، و همچنین الزامات محیط زیستی اجباری (EC) در اروپای واحد است. در کنار این‌ها علایمی دیده می‌شوند حاکی از این که دستگاه باید فقط در محیط بسته به دور از تغییرات شدید دمایی، پرتوی مستقیم خورشید و رطوبت و باران و پاشش آب قرار داشته باشد. دستگاه فاقد اتصال زمین یا «ارت» است و در دوشاخه‌ی آن هم اتصال زمین پیش‌بینی نشده است.

حال، با آگاهی از مشخصات فنی دستگاه، بد نیست نگاهی به برچسبِ پشت آن هم بیاندازیم. روی برچسب پشت دستگاه چند نکته ی خیلی مهم هنگام استفاده از این شارژر به چهار زبان اروپایی یادآوری شده اند تا سازنده ی دستگاه خود را از هر نوع عواقب ناشی از کاربرد غیرحرفه ای این دستگاه مبرّا سازد.

.

.

این نکات به شرح زیر هستند:

-         پیش از استفاده راهنمای کاربرد این دستگاه را بخوانید!

-         گازی که هنگام شارژ باتری از آن برمی‌خیزد به شدت آتش‌گیر است،

-         هنگام شارژ باتری سیگار نکشید، شعله ی باز و جرقه ایجاد نکنید،

-         این دستگاه را در هوای آزاد (محل غیر مسقف) قرار ندهید و از آن در برابر نم و رطوبت حفاظت کنید،

-         روش اتصال  به باتری: اول سیم قرمز را به قطب مثبت باتری وصل کنید و پس از آن قطب منفی را.

.

اولین آزمایش دستگاه

برای بررسی وضعیت فعلی دستگاه، آن را به برق زدم. واکنش غیرعادی (مصرف جریان زیاد، گرم‌شدن بیش از حد، دود یا بوی سوختگی و ...) به مشاهده نشد.

با اندازه‌گیری ولتاژ خروجی شارژر متوجه شدم که هیچ ولتاژی در خروجی وجود ندارد. با توجه به این که روش شارژ در این شارژر به صورت دندانه اره ای است، حدس زدم که مدار شارژر ابتدا از ولتاژ باتری زیر شارژ نمونه‌گیری می‌کند و تنها در صورت وجود یک ولتاژ حداقلی در باتری، ولتاژ خروجی برای شارژ آن را ایجاد می‌کند. به این دلیل، دستگاه را به یک باتری سرب- اسید، که بیش از 11 ولت داشت، وصل کردم اما باز هم هیچ واکنشی مشاهده نشد... حالا دیگر وقت آن است که برای عیب‌یابی نگاهی به اندرونِ دستگاه بیاندازم.

.

عیب‌یابی

بدنه‌ی دستگاه از دو پوسته‌ی جلو و پشت تشکیل شده که به سادگی و با باز کردن 4 پیچ، از یکدیگر جدا می‌شوند. ترانسفورماتور دستگاه با بسته شدن بدنه در جای خود محکم می‌شود و خودش فاقد پیچ است و با بازکردن جعبه، ترانس آزاد می‌شود. فیبر مدار شارژر، اما، با دو پیچ کوچک به پوسته‌ی جلویی شارژر محکم شده است.

ترانس دستگاه یک ترانس با ثانویه‌ی «سه سر» است و نحوه‌ی بستن دیودهای رکتیفایر یا یکسوساز نشان می‌دهد که ثانویه‌ی ترانس دارای دو پیچش مشابه، مثلاً 2×12 ولت، است.

روی فیبر دستگاه افزاره‌ای با بدنه‌ی TO-220 وجود دارد که برای خنک نگه‌داشتن‌اش به یک قطعه آلومینیوم به اندازه های تقریبی 10×10 سانتی‌متر پیچ شده است.

.

.

کابل دوسیمه‌ی برق 185 سانتی‌متر و سیم دوقلوی شارژ 125 سانتی‌متر طول داشت. سطح‌مقطع سیم‌های شارژ 1/5 میلی‌مترمربع بود.

پیش از هر چیز سلامت کابل‌های برق و شارژ دستگاه را امتحان کردم. مولتی‌متر را روی «آزمایش پیوستگی»، جایی که با علامت دیود مشخص شده است، قرار دادم و تک‌تک سیم‌های این دو هادی ارتباطی را آزمایش کردم. هر بار با بلندشدن صدای بوق مولتی‌متر و دیدن مقدار اهمی نزدیک به صفر بر روی پرده‌ی نمایش آن، سلامت رشته‌های هادی اعلان می‌شد.

از حالا به بعد باید توجه داشت که کار اندازه‌گیری مخاطره‌ی جانی دربردارد زیرا باید در حضور برق شبکه‌ی 220 ولت کارکرد. من به خوانندگان توصیه می‌کنم پیش از آشنایی کامل با اصول حفاظتی و ایمنی در کار با برق، با دستگاه‌هایی که این ولتاژ کُشنده و بسیار خطرناک در آن برقرار است، کار نکنند.

دستگاه را به برق زدم و ولتاژ متناوب 220 ولت را بر روی انتهای کابل برق، جایی که به ترانس وصل شده‌اند، امتحان کردم: ولتاژ صحیح برقرار بود. سپس ولتاژ متناوب روی اتصالات ثانویه‌ی ترانس را گرفتم. در این نقطه هیچ ولتاژی اندازه‌گیری نمی‌شد! گام اندازه‌گیری مولتی‌متر را یک درجه پایین‌تر آوردم، اما همچنان روی پرده‌ی نمایش ولتاژی خوانده نمی‌شد. خوب! خیلی زود به نتیجه رسیدیم! ترانسفورماتور دستگاه دچار مشکل شده است و حالا نوبت بررسی آن رسیده است. دوشاخه را از برق کشیدم، همه‌ی اتصالات ترانس را از آن باز کردم، ترانس را در دست گرفتم و با دقت مشغول تماشای آن شدم. معمولاً وقتی ترانسی می‌سوزد، بوی لاک سوخته از آن به مشام می‌رسد، اما این طور نبود. همچنین، لایه‌ی نوار عایق کاغذی یا پلاستیکی روی پیچش‌های ترانس تغییر فُرم و رنگ می‌دهد که این موضوع هم به چشم نمی‌خورد... اما، چرا! یک برجستگی زیر فویل عایق، در جایی که اتصالات اولیه‌ی ترانس از آن بیرون داده شده‌اند، خودنمایی می‌کند! با نوک انگشتان روی آن قسمت را لمس کردم و کمی روی آن فشار دادم و سعی کردم تجسم کنم که چه چیزی ممکن است آن زیر باشد. متوجه شدم که چیزی سفت و با شکلی منظم را آن زیر قایم کرده‌اند! روکش عایق را با احتیاط زیاد از روی این قسمت برداشتم: آها! یک فیوز شیشه‌ای و یک چیزی شبیه به یک خازن پلاستیکی در آنجا جا خوش کرده بودند.

.

.

این دو افزاره با هم و با یکی از سرهای پیچش اولیه‌ی ترانس سری بسته شده بودند، طوری که یکی از رشته‌های کابل برق از طریق این دو عنصر به اولیه‌ی ترانس می‌رسید. از این ترکیب می‌شد چنین نتیجه گرفت که اگر فیوز بسوزد و یا مدار داخلیِ آن افزاره‌ی ناشناس باز شود، ولتاژی به اولیه‌ی ترانس نخواهد رسید.

با مولتی متر از سلامت فیوز مطمئن شدم، اما آن افزاره‌ی دیگر از پس امتحان برنیامد. بله! مدار داخل آن باز شده بود و مقاومت بی‌نهایت از خود نشان می‌داد. مشخصات روی آن را «گوگل کردم» و خیلی زود هویت آن آشکار شد: یک «فیوز حرارتی» یا به فرنگی «ترمال فیوز» که با گذرِ دما از یک مقدار از پیش تعیین شده‌ی مجاز، معمولاً 130 درجه‌ی سانتی‌گراد، قطع می‌کند و پیشمرگ خودِ ترانس می‌شود. می‌توان حدس زد که به علتی، مثلاً خرابی باتری زیر شارژ یا استفاده‌ی نادرست و یا بسیار طولانی‌مدت از شارژر، ترانس آن قدر داغ شده بوده که سبب سوختن عضو حفاظتی ترانس یعنی این فیوز حرارتیِ فداکار شده است!

بد نیست بدانیم که در ترانسفورماتورهایی که داخل یک قاب پلاستیکی قرار داشته و در یک رزین عایق مغروق هستند، مشخصات کامل ترانس روی قاب ترانس درج می‌شود. علاوه بر ولتاژ‌های اولیه و ثانویه، و همچنین فرکانس کار و توان الکتریکی ترانس، علامتی هم بر آن نقش بسته که حاکی از وجود یک فیوز حرارتی در داخل محفظه‌ی ترانس است و دمای نگاشته شده در کنار این علامت، دمای قطع آن می‌باشد.

.

.

فیوز حرارتی را با یک فیوز نو عوض کردم و دستگاه به کار افتاد! با استفاده از آن باتری قدیمیِ خودروی خودم را که، دیگر برای استارت زدن خوب نبود، اما همچنان توان زیادی تولید می‌کرد و من آن را برای بعضی آزمایش‌ها در خانه به کار می‌برم، به آن وصل کردم و روند شارژ فوری آغاز شد.

.

کارکرد شارژر

همان طور که در بالا گفته شد، شارژر داری سه ال.ای.دی. روی بدنه است:

-         دیود قرمز فقط نشان می‌دهد که آیا دستگاه به برق وصل هست یا خیر،

-         روشن بودن یا چشمک زدن دیود زرد نمایشگر «در حال شارژ بودن» باتری است، و

-         با روشن شدن دیود سبز رنگ، پایان یافتن چرخه ی شارژ باتری اعلان می‌شود.

روند شارژ یکنواخت نیست و هنگام امتحان دستگاه متوجه شدم که اگر ولتاژ باتری که قرار است شارژ شود، از حدود 9 ولت کمتر باشد، اصلاً دستگاه به خود زحمت تلاش برای شارژکردن آن را نمی‌دهد، چرا که به خوبی می‌داند این باتری «مُرده» است و دیگر نمی‌شود آن را شارژ کرد. این موضوع با آنچه که پیش از این در یکی از نگاشته‌های این تارنما آمده بود، همخوانی دارد. آن نگاشته را از اینجا بگیرید.

این روش شارژ برایم جالب بود و خواستم در مورد آن بیش‌تر بدانم. به همین خاطر تصمیم گرفتم مدار این شارژر را درآورم تا بیش‌تر با ساز و کار آن آشنا شوم. از روی فیبر مدار چاپی ارتباط افزاره‌های مدار را دنبال کردم. همه‌ی افزاره‌ها به استثنای دیودهای 4 و 5 روی یک فیبر مدار چاپی کوچک مونتاژ شده‌اند. تصویر نزدیکی از پشت و روی این فیبر که چینش افزاره‌ها را بر روی آن به روشنی نشان می‌دهد، در تصویرهای زیر دیده می‌شوند.

.

.

.

پس از ساعتی کار با تمرکز بالا، نقشه‌ی مدار را به صورت مدادی درآوردم. برای اطمینان بیش‌تر، یک بار دیگر همه‌ی ارتباط‌های روی فیبر را با نقشه‌ی مدادی خودم مقایسه کردم و یکی دو اشکال کوچک را برطرف کردم. با استفاده از برنامه‌ی رایگان KiCad که همگان می‌توانند آن را از نت دریافت کنند، به راحتی مدار را رسم کردم. حاصل کار در تصویر زیر دیده می‌شود. اگر این مدار خیلی ریز است، نسخه‌ی درشت‌تر آن را با کلیک روی آن دریافت خواهید کرد.

.

.

همان طور که در شماتیک بالا دیده می‌شود، مدار در محل تریستور به دو قسمت تقسیم شده است: سمت چپ که وظیفه‌ی تامین انرژی شارژ را از برق شهر به عهده دارد، و سمت راست که بر باتری کنترل و نظارت دارد و به پایه‌ی «گیت» تریستور فرمان می‌دهد.

از چپ شروع کنیم. برق شهر به کمک ترانس به 12 ولت رسانده می‌شود. این ولتاژ توسط دیودهای 4 و 5 به صورت «تمام موج» یکسو می‌شود. در اینجا از هیچ خازن صافی استفاده نشده است. پس در این نقطه ولتاژی به شکل نیم‌سیکل‌های منفیِ سینوسی با فرکانس دو برابر فرکانس برق شهر وجود خواهد داشت. این ولتاژ تا موقعی که تریستور به حالت هدایت نرفته باشد، از کاتود تریستور (پایه‌ی 1) پیش‌تر نخواهد رفت. دیود نوری 1 در اینجا فقط نشان می‌دهد که ارتباط شارژر با برق شهر برقرار است و به عبارت دیگر دستگاه روشن است.

حال، به سمت راست مدار بپردازیم. هنگامی که یک باتری با کمینه‌ی ولتاژی در حدود 10 ولت به دستگاه وصل شود، تقویت‌کننده‌ی عملیاتی 741 و ترانزیستورهای مدار می‌توانند شروع به کار کنند. ولتاژ باتری زی شارژ از طریق دیود زینر 2 ولتاژ تغذیه‌ی 741 را تامین می‌کند. بخشی از این ولتاژ با استفاده از دیود زینر 1 تثبیت می‌گردد. ولتاژ اخیر در مدار مقایسه‌کننده به عنوان «ولتاژ مبنا» در ورودی‌های تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به کار رفته است. این تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به عنوان «مقایسه‌کننده» مداربندی شده است.

در لحظه‌ی وصل باتری به دستگاه، مدار مقایسه‌کننده مقدار ولتاژ باتری را از روی افت ولتاژی که روی سر وسط پتانسیومتر پیدا می‌شود، با ولتاژ مبنا مقایسه می‌کند. در صورتی که این دو ولتاژ برابر باشند، باتری «پُر» محسوب ‌می‌شود. خروجی 741 صفر شده، ترانزیستورهای 2 و 4 باز می مانند و ترانزیستور 3 که از طریق مقاومت 6 به حالت هدایت رفته، دیود نوری 3 (نمایش پُر بودن باتری) را روشن می‌کند. به گیت تریستور ولتاژی نمی‌رسد و تریستور به حالت هدایت نمی‌رود: شارژی صورت نمی‌گیرد.

اما، در صورتی که ولتاژ باتری کمتر از این حد باشد، خروجی 741 مثبت می‌شود و به ترتیب ترانزیستورهای 4 و 2 و 1 را به حالت هدایت می‌برد. در نتیجه، گیت تریستور فرمان هدایت می‌گیرد و برای طول زمان یک نیم سیکل اجازه‌ی عبور انرژی از سمت راست مدار به سمت چپ آن و باتری را می‌دهد. با این انرژی است که باتری اندک اندک شارژ می شود. پس از پایان نیم سیکل، تریستور دوباره به حالت قطع می‌رود، مدار مقایسه کننده بار دیگر سطح ولتاژ باتری را می خواند و می‌آزماید و اگر شرط پُر شدن باتری تحقق پیدا نکرده بود، همین چرخه را بار دیگر و بار دیگر تکرار می‌کند.

به کمک پتانسیومتر می‌توان دامنه‌ی شارژ باتری (شرط ولتاژ پُر شدن باتری) را تا اندکی بیش از 14 ولت از پیش تنظیم کرد. با خواندن نگاشته‌هایی که لینک آنها در پایان این مقاله داده شده است، می‌توانید مقدار صحیح ولتاژ شارژ را تنظیم کنید، طوری که به باتری آسیب وارد نشود.

مقادیر همه‌ی افزاره‌ها را روی شماتیک مدار داده‌ام. همان طور که دیده می‌شود، هیچ افزاره‌ی ویژه‌ای در این مدار مورد استفاده قرار نگرفته و همه را می‌توان به آسانی از بازار تهیه کرد. داده‌برگ تریستور را می‌توانید از اینجا بگیرید. اگر همان نوع را نیافتید، از تریستور BT151-500R یا هر نوع مشابه دیگری با ولتاژ 400 به بالا و جریان 12 آمپر به بالا استفاده کنید.

دستگاه را بستم، بار دیگر کارکرد آن را آزمایش کردم و روز بعد، سر راه برگشت از کار به صاحب آن تحویل دادم. جای شما خالی، گفتیم و خندیدیم و در این هوای گرم فالوده و آب‌لیمو خوردیم که جای شما خالی، خیلی چسبید.

.

پاسخ به پرسش ها و یادداشت های خوانندگان
برخی از خوانندگان گرامی، با دقت نظر ستودنی، نکاتی را در خصوص  تطابق نقشه‌ی شماتیک مدار و چینش افزاره‌ها و طرح فیبر مدار یادآور شده بودند که تا این تاریخ (24 شهریور 1396) اصلاح شدند.

• در خصوص جریان و توان ترانسفورماتورِ دستگاه پرسش شده بود که در پاسخ عرض می‌شود: این ترانس از نوع 1000 میلی‌‌آمپری است. دقت شود که این مقدار، جریان پیچش اولیه (سمت 220 ولتی) ترانس است. در نتیجه، توان ترانس در حدود 220 ولت‌آمپر است. ولتاژ ثانویه آن در حالت بی باری» در حدود 13/5 ولت برای هر پیچش (27 ولت برای کل ثانویه) بود. با توجه به داده‌های روی برچسب دستگاه دیده می‌شود که میانگین جریان شارژ 4 آمپر است. اگر مقدار قله‌ای جریان شارژ را 8 آمپر فرض کنیم، باز هم توان این ترانسِ یک آمپری، با ضریب اطمینان بالا، پاسخگوی مصرف دستگاه خواهد بود. البته برای آن می‌توان از ترانس‌هایی با توان و جریان بالاتر هم استفاده کرد و تاثیری در عملکرد دستگاه نخواهد داشت.

.

.

.

      برای دوستانی که اطلاعات فیزیکی و ظاهری ترانس این دستگاه را خواسته بودند، موارد زیر تقدیم می شود:

• وزن ترانسفورماتور:             در حدود 1/5 کیلوگرم
• اندازه‌های هسته‌ی ترانس:    36 × 65 × 80 میلی‌متر است
• این که چرا در این دستگاه از دیودهای یکسوسازی که خیلی بزرگ‌تر از معمول هستند، استفاده شده، باید گفت که این موضوع می‌تواند به عوامل گوناگونی در عرصه‌های فنی یا اقتصادی مربوط باشد، مانند: عدم نیاز به گرماگیر، کسب ضریب اطمینان بالاتر، ارزان‌تر تمام شدن خرید یک نوع دیود با تعداد بیش‌تر برای ساخت چندین محصول و از جمله مدارهای قوی‌تر ...  هر یک از این موارد می تواند دلیل انتخاب این یکسوسازها باشد.
• فیوز حرارتی یا «ترمال فیوز» به کار رفته برای حفاظت از ترانسفورماتور دارای مشخصات فنی به شرح زیر است:
• نوع:                   M20
• دمای عملیاتی:     115 درجه‌ی سانتی‌گراد (با دقت 0+ و 10- درجه)
• جریان نامی:        2 آمپر
• ولتاژ مجاز:          250 ولت
• دمای قطع:          110 درجه با دقت 2± درجه‌ی سانتی‌گراد
• دمای ابقا:            85 درجه‌ی سانتی‌گراد
• بیشینه‌ی دما:       165 درجه‌ی سانتی‌گراد
• استانداردها:         BEAB, VDE, UL, TÜV, CCC

.

.

• حفاظت جریانی دستگاه توسط یک فیوز شیشه‌ای کوچک از نوع کُندسوز و با جریان نامی 1 آمپر تامین شده است.
• گرماگیر تریستور مدار از یک ورق یک میلی‌متری آلومینیومی به اندازه‌های حدود 65 × 65 میلی‌متر ساخته شده است.

.

.

.

مطالب مرتبط:

آزمایش دینام و باتری خودرو

باتری و انواع آن

طرز ساختن ساده‌ترین شارژر خودکار باتری در جهان!

نگهبانی برای حفاظت از باتری خودرو

.

.

آخرین به روز رسانی ها:

- 21 مرداد 1396 (اصلاح نقشه شماتیک مدار)

- 18 شهریور 1396 (اصلاح متن مقاله)

- 24 شهریور 1396 (افزودن توضیحات به متن و اصلاح نقشه شماتیک مدار)

- 25 شهریور 1396 (افزودن توضیحات تازه همراه با عکس به متن)

- 26 دی 1398 (اصلاح جهت دیودهای نورانی روی نقشه شماتیک مدار)

- 10 مرداد 1399 (اصلاح نقشه شماتیک مدار)

- 12 آبان 1399 (اصلاح نقشه شماتیک مدار)

.

.

.