DIY ทดลองสร้าง วงจรควบคุมการชาร์จแบตเตอรี่ 12V พร้อมหน้าจอแสดงผล 0-100%

      บทความนี้จะมาสาธิตการทดลองสร้าง วงจรควบคุมการชาร์จแบต 12V พร้อมหน้าจอแสดงผล 0-100% กันครับ โดยการทดลองนี้ใช้วงจร constant current / constant voltage ร่วมกับ มิเตอร์วัดระดับแรงดันแบตเตอรี่อเนกประสงค์ครับ 

     การควบคุมการชาร์จประจุแบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V นั้นค่อยข้างมีหลายหลายวิธีการครับ แต่วิธีการที่นิยมใช้งานมากที่สุดคือการชาร์จแบบจำกัดกระแสและแรงดัน (CC/CV) ครับ หลักการนั้นหากอธิบายให้เข้าใจอย่างง่ายๆ คือ ป้อนกระแสให้แบตเตอรี่แบบคงที่ โดยที่แรงดันต้องไม่เกินมาตรฐานตามที่ผู้ผลิตกำหนดมาครับ เช่นแบตเตอรี่แห้ง 12V 6Ah ระบุข้างตัวแบตเตอรี่ว่า Charge Current 2A / floating charge 14.1V นั่นหมายความว่า ในการชาร์จนั้นเราควรควบคุมกระแสชาร์จให้ไม่เกิน 2A และแรงดันต้องไม่เกิน 14.2V นั่นเองครับ และเมื่อแรงดันแบตเตอรี่ มีค่าเท่ากับ 14.1V นั้นจะเท่ากับว่าแบตเตอรี่เต็ม 100% แล้ว

     เมื่อเราต้องการควบคุมทั้งกระแสและแรงดันไม่ให้เกินค่า 2A/14.2V ตามข้างต้น วงจร Step-Down แบบ constant current / constant voltage จึ่งเหมาะกับนำมาใช้ประยุกต์ใช้งานในการชาร์จแบตเตอรี่ได้ครับ

     หลักการทำงานของวงจร จะขออธิบายสั้นๆเพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นดังนี้ครับ เมื่อแรงดันเข้ามาเกินกว่า 14.2V วงจรจะลดแรงดันให้เท่ากับ 14.2V เพื่อไม่ทำให้เซลล์แบตเตอรี่เสียหาย และหากกระแสไหลเกิน 2A วงจรจะทำการลดระดับแรงดันให้กระแสไหลไม่เกิน 2A เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนเกินทำให้แบตเตอรี่เสียหายเช่นกันครับ

   ซึ่งเมื่อแบตเตอรี่ถูกจำกัดกระแสแรงดันตกคร่อมแบตเตอรี่จะต่ำกว่าที่เราตั้งค่าไว้ จนต่อเมื่อเวลาผ่านไปแบตเตอรี่ถูกประจุมากขึ้นเรื่อยๆ แรงดันแบตเตอรี่ก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ขณะที่กระแสยังไหลคงที่ที่ 2A อยู่ จนกระทั่งแรงดันเข้าใกล้ 14.2V กระแสก็จะลดลงเรื่อยๆ จนแรงดันเท่ากับ 14.2V นั้นแทบจะไม่มีกระแสไหลเข้าแบตเตอรี่เลย (แบตเตอรี่เต็ม 100%) จะมีเพียงกระแสอ่อนๆ เพื่อป้องกันการคายประจุของแบตเตอรี่เท่านั้น หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า โหมด floating charge ซึ่งเราสามารถต่อแบตเตอรี่อยู่กับแหล่งจ่ายได้ตลอดเวลา โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่เสียหายครับ (เหมือนกับในเครื่อง UPS หรือ ไฟฉุกเฉินครับ)

หลังจากที่เราเข้าใจหลักการทำงานกันแล้ว ไปลงมือทำกันเลยดีกว่าครับ ก่อนอื่นตั้งค่าแรงดันและกระแสให้ได้ 14.2/2A ก่อน วิธีการตั้งกระแสให้วงจรตามไปดูในคลิปด้านล่างได้เลยครับ

เมื่อตั้งกระแสเสร็จแล้ว เรานำวงจรมาต่อเข้ากับมิเตอร์วัดกระดับแรงดันแบตเตอรี่ตามรูปครับ

เมื่อต่อเสร็จแล้ว จะทำการต่อแหล่งจ่ายให้กับวงจร โดยการทดสอบนี้จะใช้แหล่งจ่ายเป็น power supply ตั้งค่าแรงดันขาออก 24V ครับ จากนั้นก็นำ ouput ของวงจรไปคีบเข้ากับขั้วแบตเตอรี่ให้ถูกต้อง ซึ่งจะเห็นได้ว่ามิเตอร์นั้นวัดระดับแบตเตอรี่ได้ราวๆ 65% กว่าๆ เท่านั้นเองครับ และสังเกตว่ากระแสที่วัดด้วย DC clamp meter นั้นอยู่ที่ 1.8A

จากนั้นผ่านไปได้สักพักจะเห็นได้ว่ามิเตอร์แสดงระดับไปที่ 87% ส่วนกระแสยังวิ่งอยู่ที่ 1.78A มีท่าทีลดลงเล็กน้อย

เมื่อแบตเตอี่ใกล้เต็มแล้วจะสังเกตได้ว่ากระแสลดลงเป็น 0.34A แต่มิเตอร์นั้นระบุว่าระดับแบต 100% ส่วนไฟ LED บนบอร์ดที่ทำมาเพื่อบอกสถาณะชาร์จนั้นยังขึ้นเป็นสีแดง

ท้ายสุดแล้ว อีกสักพักใหญ่ๆ LED บนบอร์ดก็แสดงสถาณะเป็นสีเขียว พร้อมกับกระแสที่วัดได้จาก DC Clamp meter นั้นแสดงค่าเพียง 0.06A เท่านั้น เรียกได้ว่าแบตเตอรี่เต็มได้อย่างสมบรูณ์ครับ

     สรุปผลการทดลอง จะเห็นได้ว่าวงจร Step-down constant current / constant voltage นั้น สามารถปรับตั้งใช้ลดแรงดันจากแหล่งจ่ายไฟ 24V ให้ไม่เกิน 14.2V และควบคุมกระแสการชาร์จที่ไหลเข้าแบตเตอรี่ ไม่ให้เกิน 2A โดยใช้เวลาทั้งหมดประมาณ 3 ชั่วโมง อ้างอิงจากระดับแบตเตอรี่เดิมจากมิเตอร์วัดได้ 65% เข้าสู่ 100% ถึงแม้ว่าในการทดลองครั้งนี้มิเตอร์วัดระดับแบตเตอรี่จะบอกค่าระดับเปอร์เซ็นณจุดที่แบตเตอรี่เต็ม 100% เร็วไปก่อนบ้าง แต่ถือว่าสามารถใช้บอกระดับได้ไม่ผิดพลาดมากนัก เนื่องจากมิเตอร์ออกแบบให้แสดงผลเป็นค่ากลางซึ่งระดับแรงดันที่แบตเตอรี่ 12Vเต็ม 100% นั้นแต่ละชนิดและยี่ห้อจะต่างกันเล็กน้อยครับ เช่นบางรุ่นเต็มที่ 13.8V เป็นต้นครับ

     คำถามที่สอบถามกันเข้ามาบ่อยคือวงจรนี้เต็มแล้วตัดอัตโนมัติหรือไม่ ?

คำตอบคือ:  วงจรคุมกระแสและแรงดันไม่ให้เกิน เมื่อแบตเตอรี่เต็มจะตัดตัวเองตามธรรมชาติครับ เครื่องชาร์จทั่วไปใช้หลักการเดียวกันครับ

     ขออนุญาติขยายความนะครับ วงจรนี้ทำหน้าที่ควบคุมกระแสและแรงดันไม่ให้เกินพิกัดของแบตเตอรี่ครับตามที่เราตั้งค่าไว้ครับ  เมื่อแบตเตอรี่ใกล้เต็มกระแสที่ไหลเข้าแบตเตอรี่จะค่อยๆลดลงเองโดยอัตโนมัติ ซึ่งเป็นธรรมชาติของแบตเตอรี่ครับ

     ซึ่งเมื่อเต็มแล้วจะมีกระแสไหลอ่อนๆเลี้ยงไว้แบตเตอรี่ให้เต็ม 100% ตลอดเวลาจนกว่าจะปลดออกครับ เรียกว่า floating charge ครับ ระบบชาร์จไฟ โน๊ตบุ๊ค,มือถือ,ไฟฉุกเฉิน,UPS ก็ใช้ระบบเดียวกันนี้ครับ เพียงแค่มีสถาณะแสดงว่าขณะนี้แบตเตอรี่เต็มแล้วครับ แต่ยังไม่ได้ตัดแหล่งจ่ายแบตเตอรี่ออกครับ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทั่วๆตามท้องตลาดไปใช้หลักการเดียวกันแบบนี้แทบทั้งหมดครับ น้อยมากๆที่จะพบเห็นการออกแบบวงจรที่ตัดแหล่งจ่ายออกไปเลยเมื่อแบตเตอรี่เต็มครับ