Danas ćemo pokušati popraviti preciznu baterijsku bušilicu-brusilicu Parkside PFBS 12 A1 iz 2017. godine. Uređaj je proizvod njemačke tvrtke Kompernass H. GmbH iz 2021. godine, a prodaje se preko trgovačkog lanca Lidl pod robnom markom Parkside.
Robna marka Parkside se pojavila oko 2005. godine i u vlasništvu njemačke Einhell grupacije. Pod ovom markom prodaju se uglavnom razni kućni (hobi) električni alati dizajnirani od strane raznih njemačkih tvrtki poput Kompernaß Handelsgesellschaft (Kompernass), Scheppach i Grizzly. Parkside alati se proizvode u Kini i prodaju preko interneta i trgovačkih lanaca Lidl i Kaufland (s obzirom da su oba ova lanca podružnice njemačkog konglomerata Schwarz Grupe).
Od kontrola Parkside PFBS 12 A1 ima samo potenciometar sa sklopkom kojim se uključuje/isključuje napajanje i kontrolira brzina vrtnje elektromotora. Osim toga, ima tri indikacijske LED (crvena, žuta, zelena) koje pokazuju stanje baterije. Kod pune baterije svijetle sve tri LED, a kako se baterija prazni tako se prvo gasi zelena, zatim žuta i na kraju ostane svijetliti crvena LED.
Ovaj alat je odradio nekih desetak punjenja baterije. U jednom trenutku je motor prestao sa radom. Crvena LED za indikaciju stanja baterije sada stalno svijetli čak i kada je alat isključen, a nakon uključena zasvijetle sve tri LED (što signalizira punu bateriju) no motor ne radi. S obzirom da crvena LED stalno svijetli očito je došlo do proboja komponenti negdje u regulacijskom krugu.
Konstrukcija alata je vrlo jednostavna i sastoji se od elektromotora, tiskane pločice sa regulatorom brzine vrtnje elektromotora i indikatorom stanja baterije, te mehanizma izravnog prihvata alata na osovinu elektromotora.
Od aktivnih elemenata na pločici je samo integrirani krug oznake S69-2LF i MOSFET oznake CSD30N70.
Integrirani krug S69-2LF je PWM regulator brzine vrtnje DC elektromotora koji radi na naponu baterije i može dati neku malu regulacijsku struju (reda 4 mA) za upravljanje izlaznim MOSFET tranzistorom. MOSFET je u našem slučaju vidno pregorio pa su oznake teško čitljive no vjerojatno se radi o N-MOSFET tranzistoru oznake CSD30N70 u TO252 kućištu koji je predviđen za napone do 30V i kontinuirane struje do 55A.
Testirali smo naš elektromotor speedmaster RS395-12V na potrošnju struje. Bez opterećenja (prazni hod) elektromotor vuče 0,9 A struje. U slučaju blokade rotora (maksimalno opterećenje) struja se popne na maksimalnu vrijednost koju može dati baterija, a to je u našem slučaju 8,5 A. Testirali smo puno opterećenje na jačem ispravljaču od 12 V i blokirani elektromotor je povukao maksimalnih 15 A koliko može dati ispravljač. U radu se lako mogu dogoditi kratkotrajne blokade kad alat zapne u materijalu pa je svakako treba računati sa tim maksimalnim strujama. Bez obzira što struje izgledaju velike (disipacija snage 100 W na baterijskom napajanju) rotor elektromotora ćete relativno lako zaustaviti rukom jer se većina snage kod velikog opterećenja pretvara u toplinu, a ne u zakretni moment.
Možemo računati da elektromotor u najgorem slučaju (puna nova baterija, blokada rotora) može povući do cca 10 A struje što se čini malo za MOSFET deklariran na 55 A. Međutim, maksimalnu dozvoljenu struju za pojedini MOSFET treba uvijek uzeti s rezervom jer to jako ovisi o izvedbi hlađenja, odnosno o temperaturi na koju se MOSFET grije u radu. Tako se specifikacija za 55 A odnosi na radnu temperaturu do 25°C što neće uvijek biti lako osigurati. Primjerice na temperaturi od 100°C (na koju se opterećeni MOSFET bez dobrog hlađenja lako popne) maksimalna struja pada na 38 A. Ovo vrijedi za kontinuirana strujna opterećenja, dok u impulsnom radu maksimalne struje mogu biti i nekoliko puta veće.
Vidimo na našoj pločici da se MOSFET praktično hladi samo na tankom sloju tiskane veze. Čini se da je praktičnije, a vjerojatno i jeftinije ugrađivati MOSFET-e deklarirane za nekoliko puta veće struje i napone od radnih tako da se ne moraju montirati na velika hladila. No na vijek trajanja MOSFET-a svakako utječu i drugi faktori poput kvalitete izrade, dugotrajnog rada na višim temperaturama i slično. MOSFET će vrlo vjerojatno biti uništen u slučaju proboja previsokog napona na GATE priključnicu (iznad 10 V) ili visokog impulsnog napona obrnutog polariteta na SOURCE-DRAIN priključnice kao posljedica indukcije napona na namotajima elektromotora i drugim induktivnim trošilima. Stoga je prije zamjene ovako uništenog MOSFET-a svakako potrebno provjeriti upravljački napon koji dolazi na GATE priključnicu i obavezno flyback diode koje štite MOSFET od negativnog impulsnog napona koji se inducira prilikom isključenja induktivnog trošila.
S obzirom da za integrirani krug oznake S69-2LF (1733) nisam pronašao nikakve podatke pretpostavio sam da se radi o integriranom DC regulatoru punog naziva GS069. Međutim, kada sam nacrtao elektroničku shemu regulatora, raspored pinova ovdje ne odgovara u potpunosti čipu GS069. Na internetu sam našao sliku pločice regulatora istog ovog alata ali sa sufiksom B2 umjesto A1 (Parkside PFBS 12 B2) koji ima ugrađen upravo čip GS069, no tiskane veze su tamo različite tako da naš S69-2LF sasvim sigurno nije kompatibilan sa GS069. Isto tako izlazni MOSFET-i nisu jednaki kod svih serija alata Parkside PFBS 12 pa se na drugim pločicama može naći NCE50N06 (60 V, 50 A) ili pak CJU80N03 (30 V, 80A). Čak i u elektroničkoj shemi kruga LED indikacije stanja baterije ima razlika kod pojedinih tipova pločica.
Sasvim sigurno da Parkside PFBS 12 ovisno o seriji i godini proizvodnje može imati ugrađene regulatore sa različitim poluvodičima i izmijenjenim elektroničkim shemama. Kod popravke ovog regulatora i mi možemo originalne komponente zamijeniti nekim sličnim dostupnim komponentama, no svakako bi bilo dobro da pri tome odgovara tip kućišta i raspored pinova jer se inače mora preraditi i sama tiskana pločica.
Na našoj elektroničkoj shemi vidimo da je LED indikacija stanja baterije zasebni električni krug. Otpornik 100 Ω za ograničenje struje i zener dioda za pad napona vezani su serijski u krug sa LED diodama i njima paralelno vezanim otpornicima. S obzirom da ne znamo karakteristike ugrađenih LED onda ne možemo ni točno izračunati napon i struju na svakoj LED kod određenog pada napona. U svakom slučaju pad napona na zener diodi je 3,9 V tako da se preostali napon (8,1 V) dijeli na tri LED. Paralelni otpornici pak razdjeljuju struju kroz svaku led tako da se zelena LED gasi na 11 V, žuta na 10 V, a crvena na 7 V baterijskog napona. Li-Ion baterija 12 V potpuno napunjena ima napon oko 12,6 V dok se prazniti ne bi smjela ispod 7,5 V. Bateriju je svakako potrebno puniti u vremenu dok svijetli crvena LED (ne čekati da se ugasi), no i sam baterijski paket ima zaštitni krug koji će isključiti daljnje pražnjenje baterije ako napon padne ispod cca 8 V.
Za početak sam provjerio dvije paralelno spojene flyback diode 1N4007 (M7) i našao da je jedna od njih u kratkom spoju. To znači da je kroz MOSFET prošla struja kratkog spoja baterije što može iznositi nekoliko desetaka ampera i što ga je onda svakako uništilo, odnosno pregorjela je veza DRAIN-SOURCE. Međutim, tijekom toga nastao je i kratki spoj na DRAIN i GATE terminalima. Preko tog kratkog spoja sada prolazi pozitivni pol napajanja na izlazni pin čipa S69-2LF i djelomično probija kroz njega na pinove 5 i 8. Kao posljedica proboja toga pozitivnog napona stalno svijetli crvena indikacijska LED. Izlazni pinovi ovakvih čipova obično završavaju CMOS tranzistorima i pozitivni napon je vjerojatno uništio ovaj čip.
Mjerenjem osciloskopom na izlaznom pinu-3 čipa S69-2LF dobivamo konstantan napon cca 7 V bez obzira na položaj potenciometra za regulaciju. Očekivano, ovdje bi trebali imati PWM signal frekvencije 3,5-4,5 kHz sa promjenjivim duty-cycle odnosom kako se mijenja regulacija. To znači da je ovaj čip pregorio. Možemo zaključiti da je prvo probila jedna zaštitna dioda, uslijed toga je probio MOSFET, a uslijed toga i integrirani krug za regulaciju.
S obzirom da su stradale praktično sve komponente u krugu regulacije brzine vrtnje motora i nemamo nikakvih podataka o čipu oznake S69-2LF, najbolje je napraviti PWM kontrolu sa nekim drugim čipom, a za to je 555 posve sigurno najjeftinija i najlakše nabavljiva opcija. Shema sa čipom 555 umjesto S69-2LF bi izgledala ovako.
Na našoj shemi čip je 555 je spojen kao oscilator (astabilni multivibrator) kojem vremensku konstantu određuje kondenzator od 1 nF te otpornik od 1 kΩ i promjenjivi otpornik (potenciometar za regulaciju) od 470 kΩ. Otpornik od 47 kΩ smo dodali iz razloga da regulacija počne od najmanjeg duty-cycle odnosa koji pokreće elektromotor inače bi potenciometar za regulaciju imao preveliki prazni hod.
Već smo rekli da se brzina vrtnje elektromotora najbolje regulira promjenom odnosa signal-pauza (duty-cycle) u pravokutnom naponu (PWM), a ne promjenom frekvencije ponavljanja impulsa sa jednakim duty-cycle odnosom. Stoga, kako bi se ostvarila duty-cycle umjesto frekvencijske regulacije dodane su dvije diode u krug punjenja i pražnjenja kondenzatora 1 nF preko otpornika 1 kΩ i kombinacije 470 kΩ i 47 kΩ. Diode ovdje premošćuju (kratko spajaju) put napona u smjeru punjenja ili pražnjenja kondenzatora preko otpornika 470 kΩ i 47 kΩ pa se promjenom toga otpora mijenja vremenska konstanta kod punjenja i pražnjenja, a time i duty-cycle odnos izlaznog signala.
Testom smo utvrdili da se elektromotor može regulirati i promjenom frekvencije (bez dioda), no promjenom duty-cycle odnosa dobiva se puno linearnija i finija regulacija. Sklop prema našoj shemi mijenja duty-cycle u punom opsegu 0-100% praktički bez promjene frekvencije (2,6 kHz).
Duty-cycle 12:88 % za minimalnu brzinu vrtnje (frekvencija je 2,6 kHz).
Duty-cycle 93:7% blizu maksimalne brzine vrtnje (frekvencija je 2,65 kHz).
Što se tiče MOSFET-a najbolje što sam našao u starim zalihama je BUZ 11A (50 V, 26 A). To mi je ostatak od nekadašnje izrade reglera (regulatora brzine vrtnje) trofaznih elektromotora za RC modele zrakoplova. Tada sam radio i bežične video linkove sa telemetrijom za RC modele, no danas se više ništa od toga ne isplati raditi u samogradnji. Kako smo testom utvrdili da ovaj naš elektromotor nikako ne može povući više od 10 A ovaj BUZ 11A će biti posve dovoljan, a u slučaju kratkog spoja ionako će pregorjeti svaki MOSFET. Pokušat ćemo na MOSFET montirati neki mali hladnjak ako pronađemo mjesta u tijesnoj unutrašnjosti uređaja. No čak i bez montaže na hladnjak BUZ 11A u standardnom TO-220 kućištu ima daleko veću metalnu površinu za hlađenje od SMD inačica MOSFET-a.
Što se tiče flyback dioda u originalu smo imali dvije paralelno spojene 1N4007 (1000 V, 1 A). U našim zalihama pak smo pronašli jednu diodu oznake HER508 (1000 V, 5 A) odlemljenu iz nekog SMPS napajanja. To je brza dioda između ostalog namijenjena upravo za flyback (freewheeling) funkciju. Svakako će raditi puno bolje od standardnih (ispravljačkih) dioda opće namjene.
Kao što se vidi sa slika elemente smo razmjestili u male komore unutar kućišta alata gdje se za iste našlo mjesta.
MOSFET je najbolje bilo staviti izravno na pločicu kako bi izbjegli povezivanje debelim žicama sa elektromotorom i baterijom. Na shemi se može primijetiti da MOSFET ovdje služi i kao glavna sklopka napajanja (elektronička sklopka). Tako ručni prekidač na potenciometru ne mora biti dizajniran za velike struje jer on zapravo samo prekida krug napajanja PWM oscilatora koji aktivira MOSFET.
Flyback diodu smo montirali na same izvode elektromotora. Inače, praktično svi MOSFET-i (pa tako i CSD30N70 i BUZ 11A) već imaju ugrađenu ovu zaštitnu diodu u zajedničkom kućištu, no za induktivne potrošače velike snage nije loše dodati i jednu vanjsku brzu diodu većeg napona i amperaže.
PWM oscilator sa 555 izradili smo koliko je to bilo moguće minijaturno sa elementima standardne veličine i isti praktično ne zauzima volumen puno veći od samog čipa.
Popravak poput ovog zahtijeva ponešto eksperimentiranja, projektiranja i domišljatosti kod praktične realizacije. Ovo si može priuštiti netko iz čiste razonode ili hobija jer s obzirom na cijenu novog alata takvi popravci svakako nisu isplativi za nekog profesionalca. Mogli smo dodatno eksperimentirati sa različitim frekvencijama te vidjeti koliko to utječe na zakretni moment, odnosno snagu motora na osovini kod određenih brzina. Da smo znali originalnu frekvenciju, vjerojatno bi i naš 555 postavili na tu frekvenciju. Naravno, trebalo je ovdje upotrijebiti SMD elemente i napraviti novu tiskanu pločicu na osnovu originalne, no to bi tražilo još više truda i vremena, a ništa ne garantirana da ovdje uskoro neće otkazati elektromotor, kuglični ležaj ili stezni prihvat. Za sada ova bušilica-brusilica Parkside PFBS 12 A1 opet radi, vidjeti ćemo dokle 🙂