Netzteil und Akku - Ladeschaltung mit MAX712/713

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Einleitung

Elektronische Geräte, wie z.B. Meßgeräte die sowohl für stationären wie auch den mobilen Einsatz gedacht sind, haben zur Stromversorgung Batterien oder im günstigeren Fall Akkus als Energiequelle. Auch ist häufig ein netzgetrenntes, potentialfreies messen notwendig. Je nach Einsatzort, Einsatzdauer und Zweck hat man das Problem, dass die Akkus immer dann geladen sind, wenn man diese braucht. Diesem Problem hat sich unsere Jugendgruppe gewidmet. Ich stelle das Ergebnis hier (stellvertretend) vor. Zugleich werden Teile dieser Baugruppen in unserem Meßverstärker Re: Einfacher Messverstärker 10 Hz - 100 KHz verwendet. Diese hier beschriebenen Baugruppen sind zugleich Netzgerät und Ladegerät. Es wird ein Unterspannungsschutz, also einem Tiefentladungsschutz für die Akkus mit implementiert, um die Lebensdauer der Akkus zu erhalten.

Auch wenn ich mit dem MAX712 offene Türen einrenne, halte ich diesen Artikel für notwendig, da in verschiedenen Threads nur die Probleme behandelt wurden und werden, die beim Nachbau aufgetreten sind, aber wenn das Ganze dann richtig dimensioniert wurde und es gut funktioniert, wird nicht mehr berichtet. Ursachen für die Fehlfunktionen sind ungeschickt übersetzte Passagen und diese dann auch falsch dargestellt.

Große Teile dieses/unseres Artikels sind kommentierte und erläuterte Passagen aus dem Original – Datenblatt von MAXIM, versehen mit Schaltungsauszügen. Trotzdem empfehle ich, das Datenblatt sich anzusehen.

Begriffsbestimmungen

Zuvor eine notwendige Begriffsbestimmung: Der MAX712/ 713 lädt den angeschlossenen Akku in zwei Schritten. Eine ist die sogenannte Schnellladung / Fastcharge und die sich daran anschließende, ist die Erhaltungsladung/ Tricklecharge. Das Ende der Schnellladung / Fastcharge ist drei unterschiedliche Bedingungen zu zuordnen, siehe dort. Die Höhe des Schnelladestromes wird einzig und allein durch den im Text als Rsense bezeichneten Widerstand festgelegt.

Bestimmung des Ladestroms unbekannter NiCd und NiMH Akkus

Diese Größe des Ladestromes ist sehr stark vom jeweiligen Akkutyp und auch von der Herstellungstechnologie abhängig, muss aus den Datenblättern des Akkuherstellers festgestellt werden. Wenn diese nicht vorhanden oder der Hersteller unbekannt ist, sollte ein sicherer Wert gewählt. Grobe Vergleiche auf Grund des Gewichtes zur Kapazität können Richtwerte geben, dazu hier einige Näherungswerte für NiMH- Akkus nach Bauform, Gewicht und Kapazität

R3/ NiMH 7,75g 300mAh 11,66g 600mAh 12,17g 750mAh

R6/NiMH 19,15g 600mAh 19,73g 800mAh 28,575g 2400mAh

C-Block 52,4g 1200mAh AkkuSchrauber

R14/NiMH 72,10g 1800mAh 73,9g 1800mAh AkkuSchrauber

R20/NiMH 142,2g 4000mAh

Die Bezeichnungen wurden auf Grund der Bauformen gewählt, angelehnt an die Standard- Rundzellen. Für die NiCd- Typen sind die gleichen Werte zu benennen. Diese Werte sind als Bezug zu nehmen, da das Gewicht in strenger Beziehung zur Leistung (Kapazität) steht. Also im Umkehrschluss, bei gleicher Bauform je höher das Gewicht, desto höhere Leistung.

Die Grundschaltung des MAX 712 / 713

Im Bild_1 [[1]] ist die typische Grundschaltung zu sehen. Die einzelnen Gruppen erklären sich selber, ein Hinweis zu WALL CUBE, dies stellt im Prinzip ein Steckernetzteil dar, - oder im klassischen Sinne den Netztrafo mit Gleichrichter und Ladeelko. Das als BATTERY bezeichnete Element ist unser Akku, die NC- Zellen und LOAD ist unser zu versorgendes Gerät, in unserem konkreten Fall ein DSO, ein 100-fach Verstärker und ein 1W- Lautsprecherverstärker. Siehe auch die Grundschaltung Bild 4, dimensioniert Bild 5. Nur hier im Falle des LINEARBETRIEBES des MAX712 ist es möglich ein Gerät aus dem Netz zu speisen und gleichzeitig die Akkugruppe aufzuladen. Auch kann das versorgte Gerät abgeklemmt werden und der Akku wird korrekt weitergeladen, wie auch der Akku abgeklemmt werden kann, wenn das Gerät weiter in Betrieb bleibt. Im dem später beschriebenen SCHALTREGLERBETRIEB ist das gleichzeitige Betreiben eines Gerätes nicht möglich, hier können dann aber Akkus mit hohen Strömen geladen werden und dies auch mit sehr gutem Wirkungsgrad. Bild 5 zeigt das dimensioniertes Beispiel des Einsatzes zum Laden und Betreiben eines DSO, eines 100- fach Verstärkers, wie auch des 1 Watt LP- Verstärkers mit einer Betriebsspannung von 9,6Volt und einer NC- Akkugruppe 9,6 Volt / 800 mAh. Der eingestellte Ladestrom ist hier I=0,25 Volt / 3,3 Ohm=75,5 mA. An den Klemmen X1-1 wird die positive Rohspannung/ Gleichspannung eingespeist und an der Klemme X1-2 die dazugehörende negative (korrekt das Nullpotential). Der Widerstand R1 versorgt den MAX712 und kann grob bestimmt werden R1= (Ue – 5V) / 5mA. Dieser Wert ist sehr tolerant, da der Eingang des Max712/713 (PIN 15; V+) an einen internen Parallelregler/Shuntregler führt und einen großen Toleranzbereich hat. An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass der häufig vorgeschaltete 5 Volt Festspannungsregler zu Fehlfunktionen führt, die bis zur Zerstörung des MAX712 / 713 führen, bzw. zu unkontrollierten Funktionen des MAX führen können. Der Widerstand R1 als Vorwiderstand ist Bedingung! An den Anschlüssen X3-1 und X3-2 kann eine LED angeschlossen werden, die die Schnellladung signalisiert. An den Anschlüssen X2-1 und X2-2 wird die Akkugruppe angeschlossen und an der Klemme X2-1 und Masse wird der zu versorgende Verstärker angeschlossen. Eine separate Umschaltung zwischen Netz und Batteriebetrieb ist also nicht notwendig. Die Regelschleifen für die Ausgangsspannung kontrolliert zwischen den Anschlüssen BATT+ und BATT- , der Ladestrom für den Akku wird zwischen BATT- und GND gemessen. Der resultierende Strom in DRV wird reduziert, wenn die Ausgangsspannung höher als die auf die Zellen bezogene Spannung Vlimit wird oder wenn der Ladestrom in den Akku größer wird als der eingestellte Ladestrom. Sofern bei der Versorgung des mit angeschlossenen Verstärkers der Widerstand Rsense ein Problem darstellt, kann dieser durch eine Transistorkombination gemäß Bild 3 im Batteriebetrieb kurzgeschlossen werden. So sind auch kurze Stromimpulse gut abzufedern. In Bild 5 ist dies verwirklicht, zugleich auch der Eingang mit Wechselstromeingang vom versorgenden Trafo. Bis 20 Volt Eingangsspannung sind keine weiteren Maßnahmen zu ergreifen, erst darüber sind doch zusätzliche Bauteile einzufügen, die ein problemloses funktionieren garantieren. Die Beschaltung der Anschlüsse PGM0 und PGM1 stellen die Anzahl der zu ladenden Zellen ein, die Anschlüsse PGM2 und PGM3 stellen die Abschaltkriterien wie Ladezeit, Zeit zwischen den Messungen und der zu kontrollierenden Temperatur dar. Diese entscheiden über das Beenden der Schnellladung. Danach wird in den TRICKLE- Modus geschaltet, dieser stellt die Erhaltensladung ein. Bild 6 zeigt tabellarisch diese Zuordnung.

Bild 2 zeigt die Pin- Belegung der MAX 712 / 713, nachfolgend ist der erklärende Text dazu aufgeführt. Die Bedeutung der einzelnen Signale folgt im Text, wieder mir Besispielen. Die PINs und ihre Signale:

1. V limit

       Festlegen der maximalen Zellenspannung. Für den
	normalen Einsatz wird dieser Anschluß mit V ref 
       verbunden. Weitere Ausführungen siehe Text.

2. BATT +

       Positiver Akku- Anschluß

3. PGM 0 Siehe Text dazu

4. PGM 1 Siehe Text dazu

5. THI

       Eingang (Temp_High) , legt die obere Temperatur fest,
       wird diese überschritten, wird die Schnellladung 
       abgebrochen.

6. TLO

       Eingang (Temp_Low), legt die untere Temperatur fest.
       Ist diese zu klein wird die Schnellladung nicht begonnen.

7. TEMP

       Meßeingang für die aktuelle Temperatur am Thermistor. 

8. FastCHG

       OpenDrain – Ausgang, Zustandsanzeige, 
       Schnellladung / Erhaltungsladung  

9. PGM 2 Siehe Text dazu

10. PGM 3 Siehe Text dazu

11. CC

       Kompensationseingang für Konstantstrom- Regelschleife

12. BATT–

       Negativer Akku- Anschluß

13. GND

       System – Masse. Der externe Widerstand 
       zwischen BATT – und GND mißt den Strom, 
       der in den zu ladenden Akku fließt, 
       Eingangsgröße für den Regelkreis Ladestrom.

14. DRV

       Stromsenke, treibt den externen PNP- Transistor

15. V +

       Parallel- Regler, die Spannung an V+ ist 
       geregelt auf + 5 Volt, bezogen auf  den Pin BATT -

16. REF

       2 Volt Referenzspannung. Der AUSGANG, 
       kann mit 1 mA nominal und  
       10 mA maximal belastet werden.

Dimensionierung eigener Projekte

Wie sollte man nun mit einem eigenen Projekt beginnen? Es gibt mehrere Wege, ich möchte die nachfolgende Reihenfolge vorschlagen. Zuerst die Lade - Bedingungen feststellen: Welcher Akkutyp (NiCd oder NiMH)? Welche Kapazität hat dieser (in mAh)? Sind Herstellerangaben vorhanden, die die Ladekenngrößen enthalten? Daraus wird jetzt der Ladestrom festgelegt, bei bekanntem Typ kann nach den Hersteller- Werten vorgegangen werden, d.h. der Akku wird in ca. 3 Std. aufgeladen, dass bedeutet Der Ladestrom ist Akkukapazität geteilt durch Ladezeit. Die sich ergebende C/3 – Ladungsrate lädt den Akku in etwa 3 Stunden. Die Ladungsrate steht damit fest. Die LadungsABSCHALTmethode ist wohl am schwierigsten zu bestimmen, wenn keine Herstellerangaben vorliegen. Es wird empfohlen bei Laderaten (Ladeströmen) größer als 2C die Temperatur mit als Abschalt- Kriterium heranzuziehen. Bei den geringeren Laderaten kann bei günstig gestalteter Belüftung des Akkus unter Umständen darauf verzichtet werden. Das sollte aber immer erst nach einem praktischen Versuch entschieden werden. Also beim ersten Laden mit einem geeigneten Temperaturmesser die Akkutemperatur beobachten. Größenordnungsmäßig sollte die Temperatur unter 45 Grad Celsius bleiben, anderenfalls die Temperaturkontrolle des MAX712 / 713 mit aktivieren. Bei Strömen kleiner als C/2 kann im Normalfall auf diese Temperatur - Kontrolle verzichtet werden. Das Einstellen der richtigen Zellenzahl des zu ladenden Akkus ist unabdingbar! Der Eingangsspannungsbereich des internen A/D – Wandlers ist auf 1,4 bis 1,9 Volt begrenzt und damit ist der Meßbereich 1,4 bis 1,9 Volt multipliziert mit der Anzahl der Akkuzellen. Wenn also die Eingangsspannung außerhalb dieses Bereiches liegt ist keine SpannungsANSTIEGSabschaltung möglich! Siehe dazu Bild 6 linke Seite (PGM0 und PGM1). Festlegen der Versorgungsspannung: Die zu wählende Eingangsgleichspannung muß mindestens größer 6 Volt plus 1,5 Volt (im Schaltnetzteilbetrieb plus 2 Volt) als die maximale Akkuspannung während der Ladung. Diese Bedingungen sind einzuhalten, da die Schnelladungsabschaltung nur innerhalb dieser Bedingungen gewährleistet ist.