Lademodul LM4 für 1–4 NC/NiMH-Zellen
Aus ELVjournal
06/2005
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Technische Daten
| Akku-Technologien | NC und NiMH |
| Zellenzahl | 1–4 |
| Lade-Enderkennung | -ΔU |
| Lade- und Betriebsspannung | 4,5–10 V, je nach Zellenzahl und Ladestrom |
| Ladestrom | 0,5 A, 0,75 A, 1 A |
| Vorladung | 20 % des gewählten Stromes bei Zellenspannung <900 mV |
| Besonderheit | Nachlademöglichkeit b. Zellenspannung <1,2 V oder <1,3 V |
| Abmessungen (Leiterpl.) | 42 x 34 mm |
| Höhe | 34 mm |
Dieses
universell einsetzbare Lademodul arbeitet mit einem neuen Ladebaustein
von LINEAR TECHNOLOGY und kann ein bis vier in Reihe geschaltete NC-
oder NiMHZellen mit bis zu 1 A Ladestrom laden.Allgemeines
Obwohl
im Akku-Bereich immer mehr moderne Akku-Technologien wie Lithium- Ionen
und Lithium-Polymer auf den Markt kommen, dominiert in vielen Bereichen
nach wie vor der Einsatz von NC- und NiMH-Zellen. Dafür gibt es
einfache Gründe. NC- und NiMH-Zellen sind altbewährt, extrem robust und
nicht zuletzt preiswert und in vielen Varianten erhältlich. Auch wenn
NC- und NiMH-Akkus sehr robust sind, hängt die Lebensdauer von der
Akku-Pflege und insbesondere auch vom Ladeverfahren ab. Überladung oder
Tiefentladung sind der Hauptgrund für den vorzeitigen Ausfall von Akkus.
Das hier vorgestellte Lademodul ist sehr flexibel einsetzbar und die
Lade-Enderkennung arbeitet nach der besonders zuverlässigen
-ΔU-Lademethode. Über Codierstecker kann das Modul an die individuellen
Anforderungen angepasst werden. Zunächst ist auszuwählen, ob
Einzelzellen oder Akku-Packs mit 2, 3 oder 4 in Reihe geschalteten
Zellen zu laden sind. Die zur Verfügung stehenden Ladeströme sind 0,5 A,
0,75 A und 1 A und bei der Ladetechnologie kann, wie bereits erwähnt,
NC oder NiMH ausgewählt werden. Des Weiteren ist ein Sicherheitstimer
vorhanden (der für die Beendigung des Ladevorgangs, unabhängig vom
Erreichen der Abschaltkriterien, sorgt), der in vier Stufen gesetzt
werden kann. Die maximale Ladezeit ist zusätzlich abhängig vom
ausgewählten Ladestrom.Tabelle
1 zeigt die erforderliche Einstellung der Codierbrücke JP 4 in
Abhängigkeit vom Ladestrom und der maximalen Ladedauer. Je nach Auswahl
der zu ladenden Zellen darf die Eingangsspannung des Moduls zwischen 4,5
und 10 V betragen. Tabelle 2 zeigt die erforderliche bzw. maximal
zulässige Spannung in Abhängigkeit von der Zellenzahl und vom
ausgewählten Ladestrom. Eine Überschreitung der in Tabelle 2 angegebenen
Spannungswerte ist nicht zulässig, da dies zur Überhitzung und
Beschädigung des Moduls sowie des angeschlossenen Akkus führen kann.
Beim Einbau des Moduls in ein Gehäuse ist für eine ausreichende Kühlung
und Luftkonvektion zu sorgen. Der Anschluss des zu ladenden Akkus wird
automatisch erkannt und der Ladevorgang dann gestartet, wenn die
Zellenspannung im zulässigen Bereich (max. 1,85 V) liegt. Der
Ladevorgang wird durch die zugehörige Kontroll-LED angezeigt. Eine
weitere LED (Power) zeigt an, wenn die Eingangsspannung des Moduls für
den Ladevorgang ausreichend hoch ist. Eine externe Steuerung des Moduls
kann zusätzlich über die optional zu nutzenden Eingänge „Aus“ und
„Pause“ erfolgen. Eine Besonderheit des Moduls ist die automatische
Nachladefunktion, die auf Wunsch bei 1,2 V oder 1,3 V Zellenspannung
aktiviert werden kann. 
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| Bild 1: Ladeverlauf eines 2-zelligen NiMH-Akkus |
Schaltung
Durch
den Einsatz des hochintegrierten Ladebausteins LTC 4060 von LINEAR
TECHNOLOGY hält sich der Schaltungsaufwand in Grenzen. Die Abmessungen
der gesamten Leiterplatte betragen nur 42 x 34 mm. Den meisten Platz
dabei benötigen die Codierstecker zur Konfiguration des Moduls und der
Endstufen-Leistungstransistor mit zugehörigem Kühlkörper. Die gesamte
Schaltung des Lademoduls ist in Abbildung 2 zu sehen und Abbildung 3
zeigt die interne Struktur des LTC 4060.
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| Bild 2: Schaltbild des Lademoduls LM4 |
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| Bild 3: Blockdiagramm des LTC 4060 |
Je
nach Zellenzahl des zu ladenden Akkus und des gewünschten Ladestromes
ist an ST 1 und ST 2 eine Eingangsgleichspannung entsprechend Tabelle 2
anzulegen. Diese Spannung gelangt über die Sicherung SI 1 direkt auf Pin
14 des Ladebausteins, wobei C 1 eine Pufferung vornimmt. Über den
integrierten Shuntwiderstand gelangt die Ladespannung dann zum Emitter
des Ladetransistors T 1. Der Spannungsabfall am Shunt ist direkt
proportional zum Ladestrom und wird intern für die Stromregelung
genutzt. Vom Kollektor des Ladetransistors gelangt die Spannung dann
direkt zum Akku, der an ST 3 (Pluspol) und ST 4 (Minuspol) angeschlossen
wird. Gesteuert wird der Ladetransistor wiederum vom Drive-Ausgang des
LTC 4060 (Pin 1). Die Programmierung des Ladestroms wird mit einem
Widerstand vorgenommen, der von Pin 7 nach Schaltungsmasse zu schalten
ist. Bei unserem Lademodul sind mit JP 6 unterschiedliche Ladeströme
selektierbar, wobei zur Stromvorgabe die Widerstände R 5 bis R 10
dienen. Eine automatische Nachladung kann an Pin 8 des Bausteins
aktiviert werden. Soll keine Nachladung erfolgen, ist Pin 8 mit
Schaltungsmasse (JP 5 in der untersten Einstellung) zu verbinden. In der
mittleren Einstellung von JP 5 erfolgt die Nachladung bei 1,2 V
Zellenspannung und in der oberen Einstellung wird der Ladevorgang neu
gestartet, wenn die Akku-Spannung 1,3 V je Zelle unterschreitet. Die
Auswahl der Akku-Technologie erfolgt mit Hilfe der Codierbrücke JP 3.
Bei NC-Akkus wird Pin 12 mit der Ladespannung und bei NiMH-Akkus mit der
Schaltungsmasse verbunden. Der Sicherheitstimer des LTC 4060 bestimmt
die maximale Ladezeit. Die Ladezeit verändert sich mit der Kapazität des
Kondensators, der von Pin 4 nach Masse geschaltet wird. Je nach
gewünschter Ladezeitbegrenzung ist JP 4 entsprechend Tabelle 1 zu
setzen. Sobald die Betriebsspannung im zulässigen Bereich liegt, zeigt D
1 die Betriebsbereitschaft des Moduls an und die Leuchtdiode D 2
signalisiert den Ladevorgang. Nachbau
Da
die Leiterplatte mit vollständig bestückten SMD-Komponenten geliefert
wird, ist der praktische Aufbau sehr einfach und in kurzer Zeit
erledigt. Aufgrund des geringen Pin-Abstands ist der Ladebaustein auch
kaum noch von Hand zu verarbeiten. Entsprechend des Bestückungsplans
werden 7 Lötstifte mit Öse von der Platinenoberseite stramm in die
zugehörigen Platinenbohrungen gepresst und sorgfältig verlötet. Danach
wird der Sicherungshalter für die Rundsicherung eingesetzt und gleich im
Anschluss hieran mit der zugehörigen Feinsicherung bestückt. Beim
Einlöten des Elektrolyt-Kondensators ist unbedingt die korrekte
Polarität zu beachten. Falsch gepolte Elkos können explodieren.
Überstehende Drahtenden werden an der Platinenunterseite direkt oberhalb
der Lötstellen abgeschnitten. Es folgen die Stiftleisten zur Aufnahme
der Codierstecker, wobei vor dem Verlöten darauf zu achten ist, dass die
Kunststoffstege plan auf der Leiterplattenoberfläche aufliegen. Die
Codierstecker sind entsprechend der gewünschten Konfiguration zu setzen.
Es folgt die Montage des Leistungstransistors T 1 mit einer Schraube (8
mm), Zahnscheibe und Mutter am Kühlkörper (Wärmeleitpaste verwenden).
Der Transistor wird dann zusammen mit dem Kühlkörper auf die
Leiterplatte gesetzt und verlötet. Die Einbauhöhe und -position der
Leuchtdioden richtet sich nach den individuellen Wünschen und dem
eventuellen Einbau in ein Gehäuse. Bei den LEDs ist die Polarität am
Bauteil durch einen längeren Anodenanschluss (+) und im Bestückungsdruck
durch ein Pluszeichen gekennzeichnet. Nachdem nun die
Bestückungsarbeiten abgeschlossen sind, sollte eine gründliche
Überprüfung hinsichtlich Löt- und Bestückungsfehlern erfolgen. Nach
einem ersten Funktionstest steht dem Einsatz nichts mehr entgegen.
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| Ansicht
der fertig bestückten Platine des Lademoduls mit zugehörigem
Bestückungsdruck, oben von der Bestückungsseite, unten von der Lötseite
(SMD-Seite) |
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