Dioda Idealna (prawie)

Już jakiś czas nie było na blogu soczystego kawałka rozważań technologicznych. Ponieważ jestem przekonany, że bardzo tęsknicie pomyślałem, że coś wyskrobię… cieszycie się?

A może to lekka grypa, która mnie od wczoraj trawi, padła mi na mózg ?

Nieważne. Zaczynamy…

Dioda.

Każdy z was na pewno słyszał o takim ustrojstwie jak dioda. Dawniej, gdy jeszcze po ziemi chodziły dinozaury były to lampy elektronowe, podobnie jak triody, pentody i inne. Dzisiaj diody to głównie elementy półprzewodnikowe. A kto wie jak działa dioda i do czego służy? Łapka w górę! Koollleeżanko wikipedia, proszę się nie pchać, tu kolejka obowiązuje. Patrzcie co za maniery, tak się wciskać z odpowiedzią. A może ja też bym chciał opisać? A może ja chcę to opisać nieco prościej niż przy użyciu modelowania równaniem Shockley’a.

No właśnie.

Tłumacząc na chłopski rozum, dioda to takie cóś, co puszcza prąd elektryczny tylko w jedną stronę. W hydraulice jej odpowiednikiem jest zawór zwrotny. A bardzo specyficzną diodę spotykacie codziennie na drogach – znak poziomy P-3 – linia jednostronnie przekraczana (przerywana-ciągła) jest właśnie diodą. Można przez nią przejechać tylko od strony przerywanych pasków, a od strony ciągłej jest „nieprzepuszczalna” No chyba, że się jedzie wypasionym Mercedresem ML. Wówczas może nastąpić zjawisko zwane przebiciem diody. Czasami prowadzi do całkowitego zniszczenia układu 😉

A po co to komu taka dioda?!

W elektronice zastosowań jest bez liku, ale my chcielibyśmy przyjrzeć się zastosowaniom na jachcie.

Zaczniemy od zastosowania najpopularniejszego: rozdzielanie ładowania akumulatorów.

Generalnie zaleca się by na jachcie akumulatory zostały podzielone na banki – co najmniej dwa – rozruchowy i hotelowy. Ja na Fayce przewiduję trzy – rozruchowy, hotelowy i do elektroniki. Do każdego banku podłączone są urządzenia z jego „parafii”. To zapewnia bezpieczeństwo energetyczne – np. pracująca lodówka nie rozładuje do końca akumulatora rozruchowego. Bo lepiej mieć ciepłe piwo niż nie móc odpalić silnika…

Pojawia się jednak problem ładowania. Mając na jachcie jeden alternator produkujący prąd do ładowania akumulatorów, musimy je jakoś „spiąć”. Nie możemy ich połączyć razem, bo szlag trafi cała ideę rozdzielania banków. Czasami spotyka się ręczne przełączniki – użytkownik przełącza ładowanie na ten bank, który chce naładować. Rozwiązanie proste i pewne, ale wymaga ciągłej uwagi ze strony użytkownika.

A gdyby tak podłączyć akumulatory do alternatora przez diody?

Dokładnie tak działają diodowe rozdzielacze ładowania. Prąd do akumulatora płynie przez diodę i ładuje go, ale „pomiędzy sobą” akumulatory się „nie widzą się – diody blokują przepływ prądu między obwodami.

W świecie idealnym to byłby koniec tematu. Ale świat nie jest idealny. Gdyby dioda była idealna to w kierunku przewodzenia była by kawałkiem drutu, a w kierunku zaporowym (nie przewodzenia) izolatorem. Diody rzeczywiste niestety takie nie są. Mają trzy zasadnicze wady. Po pierwsze mają ograniczenie maksymalnego prądu (zależne od modelu) – przy prądach ładowania – około 100A diody muszą być już dość spore. Po drugie w stronę zaporową mają ograniczenie napięcia maksymalnego. Na szczęście w układach jachtowych 12/24V to nie jest problemem. I po trzecie wada najważniejsza. W kierunku przewodzenia, powstają na diodach straty napięcia. Nie wchodząc zanadto w szczegóły, za zwykłą diodą krzemową napięcie jest o 0,7 Volta mniejsze. Niby niewiele, ale to już wystarczy, by akumulator nie był doładowywany należycie. Jeżeli zastosujecie na jachcie taki rozdzielacz diodowy, musicie „podkręcić” napięcie na regulatorze alternatora o jakieś 0,7V by skompensować ten spadek. Aby całkowicie wyeliminować to zjawisko opracowano rozdzielacze ładowania bazujące na tranzystorach polowych FET (a konkretnie na ich wariantach MOSFET, HEXFET). Taki układ odpowiada diodzie prawie idealnej – spadek napięcia w kierunku przewodzenia wynosi 0,02V lub mniej. Czyli można przyjąć, że jest zaniedbywalny. I taki właśnie rozdzielacz ładowania mam zastosowany na Fayce. Konkretnie jest to Victron ArgoFET. Do kupienia np. w Sailservice lub w Eljachcie.

Ale ten artykuł nie ma być reklamówką Victro’a – trzeba przyznać, że działa on elegancko. Choć mi po głowie chodzi układ jeszcze fajniejszy – z ustawianiem priorytetów ładowania.

Na Fayce znalazłem jeszcze trzy miejsca, gdzie diody mają zastosowanie. I we wszystkich tych miejscach doszedłem do wniosku, że spadek napięcia 0,7 V byłby szkodliwy. Można by zastosować tzw. Diody Shotkyego o spadku ok 0,25V, ale to nadal mnie nie uszczęśliwiało. Poszukałem więc w Internecie i wśród wielu rozwiązań odnalazłem takie, które spodobało mi się najbardziej – specjalizowany układ scalony Diody Idealnej. Dla elektroników powiem, że jest to LTC@4358 firmy Linear. Na podstawie tego układu opracowałem malutką płyteczkę drukowaną, która pozwala na dolutowanie do niej kabelków oraz chłodzi wyżej wspomniany scalak. Jest to konieczne, bo sam ten układ scalony jest mikroskopijny – 4 x 3mm, ma szesnaście nóżek –  raster 0,65 mm 🙂

Tak powstała YID Jachtowa Dioda Idealna – no może prawie idealna – wytrzyma 5 Amperów, a spadek napięcia ma 0,02 Volta. Ale płytka jest sprytnie zaprojektowana, że  można je bardzo łatwo łączyć równolegle mnożąc maksymalny prąd.

Do czego to zastosuję:

  • awaryjne zasilanie elektroniki bezpieczeństwa
    W obwód elektroniki bezpieczeństwa (radio VHF, GPS, nawigacja) zostanie wpięty dodatkowy akumulator żelowy – 10-20Ah – zasilanie tego układu zostanie przepuszczone przez taką właśnie diodę. Co to da? W sytuacji normalnej pracy układ będzie pobierał prąd z banku akumulatorów, pomijalny spadek napięcia na diodzie będzie sprawiał, że akumulator żelowy cały czas będzie naładowywany. Gdy bank akumulatorów z jakiegoś powodu się wyładuje, dioda nie pozwoli na wyładowanie akumulatora żelowego dając jeszcze wiele godzin pracy awaryjnej radia i nawigacji.
  • pompa do toalet.
    Jak wiecie na Fayce mam dwie toalety elektryczne. Te toalety do spłukiwania potrzebują wody pod ciśnieniem i do tego celu została zainstalowana dedykowana wydajna pompa Shurflo. Ale toalety są dwie, a pompa jedna. Nie chcę ryzykować „chamskiego” połączenia równoległego obwodów wyjściowych z toalet na pompie. Prawdopodobnie w sterownikach toalet są przekaźniki, więc nic by się nie stało. Jednak strzeżonego Pan Bóg strzeże… gdyby nie było przekaźników, tylko elektronika, to mogłoby się to skończyć dla niej fatalnie. Owszem, gdyby tam były zastosowane tzw. układy otwartego kolektora lub otwartego drenu, to nic by się nie stało. Nie byłem niestety w stanie zdobyć schematu, ani wiążącej odpowiedzi od producenta… Więc wystarczy, że podłączę toalety i pompę przez YID. Spadek napięcia zaniedbywalny, a diody zabezpieczą układy sterownicze w toaletach przed wstecznym napięciem. Zapytałem o takie rozwiązanie producenta i dostałem odpowiedź, że jest to bardzo dobre eleganckie rozwiązanie.
  • pompa(y) zęzowa
    Mam trzy banki akumulatorów na Fayce. Do którego z nich podłączyć pompę zęzową by była najpewniejsza? Oczywiście do wszystkich. Jednak już wiecie z przykładu rozdzielacza ładowania, że nie można tego zrobić tak po prostu. Przy zwykłym podłączeniu kabelkiem będą „wyżerały” sobie prąd. Więc co trzeba użyć? Dobrze kombinujecie – diody. A najlepiej YID Jachtowe Diody Idealne. Trzy malutkie płyteczki i pompa zęzowa zawsze będzie miała zasilanie. Konkretnie zasilanie z najbardziej naładowanego akumulatora. W skrajnej sytuacji wolę ryzykować, że mi silnik w marinie nie odpali niż to, że z braku prądu pompa zęzowa nie zadziała. Oczywiście nie ma obowiązku włączać do zabawy akumulatora rozruchowego.

I taki oto sposobem rozwiązałem trzy ciekawe problemy i stworzyłem kolejny produkt komercyjny YID – Jachtową Diodę Idealną. Oczywiście ona może być zastosowana nie tylko na jachcie, i nie tylko w tych trzech układach. Inny pomysł który przyszedł mi do głowy to np. sterowanie jednego elektrozaworu paliwowego – dla kuchni i ogrzewania. Zresztą możecie resztę wymyślać sami 😉

Diody niedługo będzie można zamawiać u mnie na MOYE.eu.

Ten wpis został opublikowany w kategorii Gotowe. Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

14 odpowiedzi na „Dioda Idealna (prawie)

  1. Arecky pisze:

    Nie wiem dlaczego ale po dzisiejszej lekturze przyszli mi do głowy genialni konstruktorzy z Cyberiady Trurl i Klaupacjusz…
    ale w kwestii diody. Genialna dioda idealna ma jednak jedną wadę. Otóž prund ze źródła ładuje wszystko jednocześnie, a wydaje się że ładowanie banku rozruchowego powinno mieć priorytecik (chłodzenie pifka powinno się rozpocząć po naładowaniu banku rozruvhowego)… chyba, że jak na prawdziwego Trurla przystało nie piszesz o wszystkim…
    Mam taki pomysł że te 0.02v na diodzie idealnej mogło być sterowalne tak aby bank o najwyższym priorytecie miało owe magiczne 0.02v a na pozostałych byłoby więcej, i malałoby wraz z poziomem naładowania banku o najwyższym priorytecie. Do Twojej płytki potrzebny byłby więc kawałek pic’a z układem voltomierza i prosty srerownik…. 🙂

  2. Slawek pisze:

    Apenduła niewdziosek, te będy gruwaśne
    W koś turmiela weprząchnie, kostrą bajtą spoczy,
    Oproszędły znimęci, wyświrle uwzroczy,
    A korśliwe porsacze dogremnie wyczkaśnie!….

    pisałem z pamięci…

  3. Slawek pisze:

    ale zobacz, że w opisie jest cytuję: „Choć mi po głowie chodzi układ jeszcze fajniejszy – z ustawianiem priorytetów ładowania.”

    Myślę na czymś w rodzaju sterownika PWM, gdzie znając pojemności banków zadało by się priorytety/wagi ładowania, bo chcemy mieć pełny aku rozruchowy, ale zimne piwko przy działającej nawigacji też by się przydało. Sterownik ładował by najpierw rozruchowy, troszkę podsypując do elektroniki i jeszcze nieco obdzielając użytkowy. A w miarę naładowywania się tychże, zmieniał by priorytety. Jeden malutki PIC lub Atmelek załatwił by to w „try miga”. Ale nie to jest teraz u mnie na tapecie głównej… 😉

  4. Slawek pisze:

    A i żeby było śmiesznie to moim tematem pracy maturalnej było:

    „Wybieram pisarza do do nagrody literackiej trzydziestopięciolecia Polski Ludowej”

    Inni męczyli się z tematami „klasycznymi” romantyzm, Kochanowski itp. A ja wskazałem Lema i pojechałem jak z płatka…. piąteczka, zwolnienie z ustnego i po zawodach 😉

  5. Bartek pisze:

    Przy tej ilości pomysłów gospodarza wgniecenie słynnej poduszeczki prędko nie nastąpi 🙂

    Co do akumulatorów zaobserwowałem, że najwięcej czasu schodzi się z ładowaniem akumulatorów bytowych, które są najbardziej rozładowywane. Rozruchowy ma niewielki wydatek jeśli silnik dobrze odpala. Ster strumieniowy też za dużo nie pracuje.
    Często po rejsie nie ma czasu ładować na full aku. i niestety to się mści krótszą żywotnością baterii. Pozostawione w stanie rozładowania szybciej się idą „zaprzepaszczać”.
    Z uwagi na specyfikę mazurskiego weekendowego pływania eksperymentalnie zmienię priorytet ładowania na bytowy-rozruchowy-strumieniowy.
    Rozruchowy w razie rozładowania można podeprzeć na chwilę inną baterią
    dołączaną przełącznikiem trój pozycyjnym, co już testowałem.

  6. Slawek pisze:

    Właśnie, masz rację Bartku. I tu znowu wychodzi, że łajba łajbie nie równa, a systemy powinny być elastyczne tak by dostosowywały się do rzeczywistości a nie na odwrót. Jakoś producenci o tym ciągle zapominają. Zresztą sporo szukałem Mastervolt, Vetus, Sterling, Dometic, Victron, Quick, małe amerykańskie firmy, nie znalazłem konfigurowalnej ładowarki „priotytetyzującej” schemat ładowania.

    A moim zdaniem wystarczyło by podawać wagę każdego banku i opcjonalnie czy uwzględniać stopień naładowania oraz może pojemność. Wówczas system „rzucał by wszystkie siły” do ładowania najważniejszego akumulatora ale tylko wtedy, gdy byłby on rozładowany.

    Gdyby sterował tym człowiek to po stwierdzeniu, że rozruchowy ma 80%, a bytowy 35% olałby rozruchowy i włączył ładowanie bytowego. Jest to oczywiste. Jednak nie dla mądrych firm ładowarkowych.

    Jak widać rynek może być ciekawy…

  7. Bartek pisze:

    Przy dzisiejszych możliwościach kupna komponentów elektronicznych zaprojektowanie programowalnego selektora ładowania z komunikacją WiFi lub bluetooth nie powinno stanowić problemu.
    Niewielka aplikacja na smatfona i można cuda wyczyniać.
    To Cię powinno zainteresować http://arduino.cc/en/Main/Products

  8. Arecky pisze:

    Z tym PWMemem to bym uważał. Bakterie to ‚lubiom’ jak się je ładuje w miarę stabilnie, co będzie wymagało znacznej częstotliwości przełączania. Przełączanie kilkudziesięciu amperów indukuje duże stany nieustalone, a to pociąga dławiki, filtry etc i układ już nie jest prosty… Temat ciekawy ale na pewno nie trywialny.

  9. Slawek pisze:

    Bartku, smartfon tak zdecydowanie, ale tylko do programowania. Urządzenie musi być samowystarczalne. Arduino znam choć jestem raczej z drugiej strony „mikrokontrolerowej barykady” wolę RISC’cową architekturę PIC’ów Microchip. Mikrokontrolerami zajmuję się od ponad dwudziestu pięciu lat 🙂 Zaczynałem jeszcze ze starym poczciwym 8048 i 8051. Kilka fajnych układów w swojej karierze zaprojektowałem. Na Fayce też parę będzie pracować.

    Arku, wręcz przeciwnie moja idea to PWM o okresie w minutach nie w setkach kHz. Zresztą przełączanie 100A przy powiedzmy 200kHz to po pierwsze jak napisałeś spore wyzwanie, po drugie siało by toto po okolicy tak, że w promieniu kilometra nikt by nie pogadał przez radio 🙁 a jedna szpilka na pięć minut nikomu nie zaszkodzi,,,

    Panowie zamykam temat ładowania, bo zaraz go tu zaprojektujemy i konkurencja sobie weźmie za darmochę ze strony 😉

  10. Slawek pisze:

    Poprawka malutka Atmel AVR to też RISC…

  11. Bartek pisze:

    Za niewielkie pieniądze możesz kupić sterownik Unitronics z klawiaturą, wyświetlaczem, I/O do wyboru analog, digital, HSI, HSO. Jednym sterownikiem załatwisz priorytety ładowania. Dodatkowo będziesz mógł odcinać zasilanie mniej ważnych odbiorników przy określonych stanach aku.
    Też kiedyś się bawiłem w budowanie od podstaw sterowników na CMOS z uwagi na brak środków i dostępu do gotowych rozwiązań PLC. Teraz szybciej (taniej) wychodzi kupno gotowego PLC i oprogramowanie go.
    Unitronicsy używam od lat na wielu maszynach mojej konstrukcji i poza wymianą intensywnie używanej klawiatury nie miałem problemów. Programowanie wymaga jedynie PC z Windows i RS232 lub z emulatorem USB.
    Program pisze intuicyjnie się w drabince.
    Sterownik jest niewielki więc łatwo go zapakować do hermetycznej obudowy.
    Na wszelki wypadek zamontowałbym mechaniczny przełącznik na wypadek awarii
    elektroniki sterującej ładowaniem.
    Cuda się zdarzą. Po kilku sezonach przestał mi działać wiatromierz firmy Raymarine. Okazało się, że scalak układu zasilania miał pękniętą obudowę.
    Krytyczne obwody powinny mieć możliwość bypasów w razie uszkodzenia elektroniki.

  12. Slawek pisze:

    W stu procentach masz rację Bartku.

    Jest jedno ale.

    Ja nie chcę kupować tylko sprzedawać 😉

    Nie zależy mi na rozwiązaniu jednostkowym – tylko do zastosowania na Fayce, jak już opracowywać urządzenie, to od razu do wprowadzenia na rynek.

    Rozwiązania tego typu jak Unitronics są nie do pobicia, gdy masz zastosowywać je w rozwiązaniach gotowych – wstawić do szafy sterowniczej, tak by wspomagało sterowanie maszyną czy linią technologiczną. Nawet bym nie spojrzał w inna stronę mając takie potrzeby.

    Jednak, gdy mamy zamiar rozpocząć szerszą produkcję czegoś na rynek, musimy mieć na uwadze nieco inne czynniki. Jak choćby łańcuch dostaw. Choćby z tego względu wolę PIC niż AVR, bo Microchip produkuje wszystkie scalaki od początku swojej historii. Produkuje nawet klony 8051 🙂 Nie zostaniesz z ręką w nocniku jak to już się zdarzało klientom AVR – bo raptem wycofali przestarzałą konstrukcję. Tego typu obawy miałbym też z opieraniem produkcji urządzeń na gotowym PLC. Zmiana modelu i jesteś załatwiony, musisz przestawiać produkcję. Już prędzej jakieś PLA. Ale w sumie do takiego zadania to zbyt duża armata.

    Zresztą sam masz firmę to wiesz, że decyzja o naciśnięciu guzika odpalającego produkcję musi być wszechstronnie przemyślna, bo inaczej może boleć 😉

    A na na Fayce instalacja będzie oparta o CZone firmy BEP Marine. To temat na oddzielny spory, ale zdaje się, że ciekawy artykuł.

  13. Bartek pisze:

    To może się pokusisz o projekt urządzenia do kompleksowego zarządzania energią na jachcie i opracujesz przebój rynkowy w postaci panelu z bezpiecznikami led, wskaźnikiem zasobu energii poszczególnych sekcji, sterowaniem ładowania, rejestratorem zużycia energii, alarmem poziomów, sterowaniem zasilania urządzeń krytycznych, alarmami nienormalnego zużycia np. przeciążenia, przebicia. historia pracy pompy zęzowej z alarmem przekroczenia limitu pracy (np. tankowanie wody w marinach bez dozoru zalało nie jeden jacht bo pompa z zęzowa nie wyrabiała), alarm GPS.
    Stocznie powinny być zainteresowane takim kombajnem bo główni klienci to firmy czarterowe a one nie lubią strat w sprzęcie.

  14. Slawek pisze:

    Hmmm może kiedyś 😉

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *