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Universal-Lademodul LM 16 für 1–16 NC/NiMH-Zellen
Aus ELVjournal 01/2006
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Bausatzinformationen
 |  |  |  |
| 1 | 0,25 | OK | 1/2006 |
Technische Daten
| Akku-Technologien | wahlweise NC oder NiMH |
| Zellenzahl | 1–16 (konfi gurierbar) |
| Lade-Enderkennung | -Delta-U |
| Lade- und Betriebsspannung | 8 V bis 30 V, je nach Zellenzahl und Ladestrom |
| Ladestrom | 400 mA, 667 mA, 1 A, 1,67 A |
| Anzeigen | Betrieb, Laden, Fehler |
| Abmessungen (Leiterplatte) | 62 x 45 mm |
| Höhe | 29 mm |
Das Lademodul basiert auf einem hochintegrierten Lade-IC von Linear Technology und einer 550-kHz-PWM-Ladeendstufe mit sehr hohem Wirkungsgrad. Trotz des hohen Ladestromes von bis zu 1,67 A ist kein Kühlkörper erforderlich.
Allgemeines
Die Lebensdauer von Akkus ist wesentlich abhängig von der Akku-Pflege, wobei die richtige Ladung am wichtigsten ist. Nur Akkus, die zu 100 % geladen werden, ohne dass es dabei zur Überladung kommt, können die volle Leistung zur Verfügung stellen. Die bestmögliche Ausnutzung der Akku-Kapazität und die Optimierung der Lebensdauer muss daher das oberste Ziel eines modernen Akku-Management-Systems sein. Dies trifft sowohl auf moderne Akku- Technologien wie Lithium-Ionen und Lithi um-Polymer zu als auch auf die altbewährten NC- und NiMH-Zellen, die in vielen Bereichen nach wie vor eine dominierende Rolle spielen. Die Hauptgründe dafür sind die Robustheit, die Zuverlässigkeit und nicht zuletzt der günstige Preis. Im Hochstrombereich, wie im Modellbau oder bei Elektrowerkzeugen, gibt es zu NC- oder NiMH-Akkus häufig keine technische Alternative.Bei
Elektrowerkzeugen, wie z. B. Bohrschraubern, macht der Akku-Pack trotz
des Einsatzes von preisgünstigen NCoder NiMH-Zellen den größten Teil des
Preises aus. Die bei vielen Geräten zum Lieferumfang gehörenden
Ladegeräte beschränken sich oft auf das absolute Minimum und tragen
keinesfalls zum langen Akku-Leben bei. Vor diesem Hintergrund ist die
Anschaffung eines guten Ladesystems sinnvoll und amortisiert sich
bereits in kürzester Zeit. Ein weiterer wichtiger Aspekt beim
Ladevorgang ist die schnelle Verfügbarkeit eines entladenen Akkus oder
Akku-Packs, d. h., das Ladesystem sollte schnellladefähig sein. Das hier
vorgestellte Lademodul ist trotz der geringen Abmessungen sehr
leistungsfähig und kann wahlweise zum Laden von Einzelzellen oder
Akku-Packs mit 2 bis 16 in Reihe geschalteten Zellen genutzt werden. Der
Einsatz eines Schaltreglers ermöglicht einen großen
Versorgungsspannungsbereich und sorgt für eine geringe Verlustleistung.
Wahlweise kann die Schaltung für NC- oder NiMH-Akkus konfiguriert
werden.
Je
nach Bestückung des Shunt-Widerstandes (R 4a, R 4b) sind Ladeströme von
0,4 A bis 1,67 A möglich. Bei bis zu 8 Zellen (16 V Eingangsspannung)
beträgt der maximale Ladestrom 1,67 A. Bei höherer Betriebs- und
Ladespannung beträgt der maximal zulässige Ladestrom 1 A bzw. 667 mA
(Tabelle 1). Die Betriebsbereitschaft und der Ladevorgang werden mit
Hilfe von Leuchtdioden angezeigt. Des Weiteren ist eine Fehleranzeige
vorhanden.
Sobald der zu ladende Akku angeschlossen ist, startet der Ladevorgang automatisch, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Die Betriebsspannung für IC 2 muss mindestens 500 mV über der Akkuspannung liegen.
- Die Zellenspannung muss zwischen 350 mV und 1,95 V betragen.
Eine
Zellenspannung von mehr als 1,95 V entsteht, wenn der angeschlossene
Akku den eingestellten Ladestrom nicht verkraften kann. In diesem Fall
wird der Ladevorgang abgebrochen und die Fehler- LED wird aktiviert. Es
erfolgt ebenfalls eine Fehleranzeige, wenn sich bei der Schnellladung
nicht innerhalb von Tmax/12 eine Zellenspannung einstellt, die oberhalb
von 1,22 V liegt. Tiefentladene Akkus, deren Zellenspannung zwischen 350
mV und 900 mV liegt, werden zunächst mit einer Vorladung beaufschlagt,
wobei über das PWM-Signal ein Ladestrom eingestellt wird, der 20 % des
eingestellten Stromwertes entspricht. Sobald die Akkuspannung über 900
mV je Zelle steigt, wird automatisch der Schnellladevorgang aktiviert.
Wird das Ladeende nicht innerhalb der maximalen Laufzeit des
Sicherheitstimers beendet, erfolgt auch eine Fehleranzeige. Die
PWM-Regelschleife wird IC-intern überwacht. Sobald hier Werte außerhalb
des akzeptablen Bereichs festgestellt werden, kommt es ebenfalls zur
Fehleranzeige. Um durch Selbstentladung entstande ne Verluste
auszugleichen, erfolgt eine automatische Nachladung, wenn die
Zellenspannung unterhalb 1,325 V sinkt. Die Lade-LED wird während der
Nachladung nicht aktiviert.
Schaltung
Durch den Einsatz des hoch integrierten LTC 4010 konnte eine Schaltung mit recht wenig Aufwand realisiert werden, wie im Schaltbild (Abbildung 1) zu sehen ist.
 |
| Bild 2: Interne Stufen des LTC 4010 |
Die
wesentlichen Komponenten des sekundär getakteten Schaltreglers
(Stepdown- Wandler) sind die in IC 1 integrierten Leistungs-FETs, die
Speicherdrossel L 1 und natürlich der im Ladecontroller integrierte
Pulsweitenmodulator (PWM). Da der Pulsweitenmodulator mit einer hohen
Taktfrequenz von 550 kHz arbeitet, ist bei der Speicherdrossel L 1 nur
eine kleine Induktivität erforderlich. Die in IC 1 integrierten
Leistungs-FETs werden von den Ausgängen T-Gate und B-Gate periodisch
geschaltet, wobei natürlich sichergestellt ist, dass niemals beide
Transistoren gleichzeitig durchgesteuert sind. In der Phase, in der der
obere (P-Kanal-) FET durchgeschaltet ist, fließt der Strom über die
Speicherdrossel L 1 und den Shunt-Widerstand R 4 zum Ausgang ST 3
(+Akku). In der nächsten Phase wird der P-Kanal-Transistor gesperrt, und
der untere N-Kanal-FET steuert durch. Dadurch kann die Speicherdrossel L
1 den Stromfluss aufrecht erhalten. Das Tastverhältnis des
Pulsweitenmodulators, mit dem die Leistungstransistoren gesteuert
werden, ist abhängig vom Ladestrom, von der Akkuspannung und von der
Eingangsspannung des Lademoduls. Während des Ladevorgangs steuert IC 2
die PWM-Endstufe so, dass grundsätzlich am Shunt-Widerstand R 4 ein
Spannungsabfall von 100 mV entsteht.
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| Bild 3: PWM-Regelschleife des LTC 4010 |
Der
Akku bzw. Akku-Pack wird direkt an die Platinen-Anschlusspunkte ST 3
und ST 4 angeschlossen. Die Erfassung des Spannungsverlaufs am Akku
erfolgt mit Hilfe eines in IC 2 integrierten A/D-Wandlers, dessen
Eingang (Pin 6) grundsätzlich die auf eine Zelle bezogene Spannung
zugeführt wird. Je nach Zellenanzahl des angeschlossenen Akku- Packs ist
ein entsprechender Spannungsteiler zwischen BAT und VCDIV erforderlich,
dessen Abgriff die auf eine Zelle bezogene Spannung zum A/D-Wandler
(VCELL) liefert. Die Auswahl der Zellenanzahl erfolgt dabei mit den
Lötbrücken Z 2 bis Z 16 sowie der Lötbrücke JP 5. Bei den Lötbrücken Z 2
bis Z 16 ist die Verbindung direkt propor tional zur Zellenzahl
herzustellen, d. h., dass bei einem 8-zelligen Akku-Pack die Brücke Z 8
geschlossen wird und bei einem 10-zelligen Akku-Pack die Brücke Z 10.
Ausschließlich bei Einzelzellen ist R 6 über JP 5 mit BAT zu verbinden.
Bei allen Akku-Packs (2–16 Zellen) sind die unteren Pins der
Codierbrücke JP 5 zu verbinden, d. h. VCELL und VCDIV sind über R 6
verbunden.
Der
Kondensator C 6 dient am A/D-Wandler- Eingang zur Störunterdrückung.
Bei VCDIV handelt es sich um einen Open- Drain-Ausgang, der dafür sorgt,
dass bei abgeschalteter Ladeschaltung der angeschlossene Akku nicht
über den Spannungsteiler entladen wird. Der optionale Temperatureingang
an Pin 5 wird in unserer Schaltung nicht genutzt und ist mit einem
10-kΩ-Widerstand (R 11) nach Masse beschaltet. Dieser Widerstand
simuliert eine Temperatur von ca. 25 °C. Eine intern generierte Spannung
von 5 V wird an Pin 11 mit C 5 gepuffert. Die Akku-Technologie ist mit
Hilfe der Codierbrücke JP 4 auszuwählen. Bei offener Codierbrücke gelten
die Abschaltkriterien für NC-Akkus und bei geschlossener Codierbrücke
für NiMH-Akkus. Ein integrierter Sicherheitstimer sorgt unabhängig vom
Erreichen der Abschaltkriterien für die Beendigung des Ladevorgangs. Je
nach gewünschter Ladezeitbegrenzung sind die Codierbrücken JP 1 bis JP 3
entsprechend Tabelle 2 zu setzen.
Die
maximale Ladezeit ist einfach mit einem Widerstand, der von Pin 8 nach
Masse geschaltet wird, zu bestimmen. Neben den erforderlichen
Einstellungen für die Ladezeitbegrenzung sind in Tabelle 2 auch die
zugehörigen typischen Laderaten und die Zeitbegrenzungen für die
Vorladungen aufgeführt. Die Statusanzeigen D 3, D 4 sind direkt mit dem
Lade-Baustein verbunden und werden über R 2 und R 3 mit Spannung
versorgt.
Nachbau
Der praktische Aufbau des Lademoduls ist sehr einfach, da die Leiterplatte mit allen SMD-Komponenten vorbestückt geliefert wird. Aufgrund des geringen Pin-Abstandes ist das Lade-IC auch kaum noch von Hand zu verarbeiten. Die noch erforderliche Bestückung ist in kurzer Zeit zu erledigen. Wir beginnen mit vier Lötstiften mit Ösen, die stramm in die zugehörigen Bohrungen der Leiterplatte zu pressen sind. Danach werden die Lötstifte von der Platinenunterseite sorgfältig verlötet. Im nächsten Arbeitsschritt wird der Halter für die Miniatursicherung eingelötet und gleich im Anschluss hieran ist die Sicherung einzusetzen. Danach sind die drei Elektrolyt-Kondensatoren an der Reihe. Bei den Elkos ist unbedingt die korrekte Polarität zu beachten, da diese sonst auslaufen oder sogar explodieren können. Die überstehenden Drahtenden werden direkt oberhalb der Lötstellen mit einem Seitenschneider abgeschnitten. |
| Bild 4: Möglichkeiten der Verschaltung beim Shunt-Widerstand R 4a und R 4b |
Bevor
die erste Inbetriebnahme erfolgen kann, sind die Lötzinnbrücken
entsprechend der gewünschten Konfiguration zu setzen. Die Platine wurde
so flexibel ausgelegt, dass die Lötzinnbrücken auch durch Schalter
ersetzt werden können. Dazu sind einfach in die Lötaugen, die parallel
zu den Brücken angeordnet sind, entsprechende Leitungen einzulöten.
Diese Leitungen werden dann wiederum mit den entsprechenden Schaltern
verbunden. Vor der ersten Inbetriebnahme und dem Funktionstest empfiehlt
sich eine gründliche Überprüfung hinsichtlich Löt- und
Bestückungsfehlern. Ist diese Überprüfung zur Zufriedenheit ausgefallen,
kann die Betriebs- und Ladespannung angelegt werden und ein erster
Funktionstest erfolgen. Nach erfolgreichem Funktionstest steht dem
Einsatz des Lademoduls nichts mehr im Wege. Beim Einbau in ein
geschlossenes Gehäuse ist unbedingt für eine ausreichende Luftkonvektion
zu sorgen.
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