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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Acculader: Schutz vor Verpolung ok?


Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Hallo,
ich bin dabei einen Acculader (für NIMH) zu basteln. Wo ich mir nur 
nicht sicher bin, ist ob die Schaltung gegen ein versehentliches 
Verpolen des Accus ausreichend geschützt ist, bz. wie ich den Schutz 
ohne viel Bauteilaufwand verbessere. Von der Spannung her sollen maximal 
9V Accus geladen werden können.
Hat jemand eine Idee ob es Probleme geben könnte?

PS:
Ich hatte die Schaltung schon einmal (leider ohne Antwort) gepostet:
Beitrag "Accu lader - richtig gedacht?"

Autor: Hubert.G (Gast)
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Solange der Ladezyklus nicht beginnt dürfte mit raschem Drüberschaun 
nichts passieren. Ausser es gibt Probleme mit den Basis-Emitterstrecken 
der beiden Transistoren, das müsste man simulieren. Den Check wirst du 
ja per SW machen.
Die 7,15V am Eingang sind wohl etwas wenig für 9V Akku.
Was mir nur auffällt ist, du bist sehr sparsam mit Puffer-C. Vor und 
nach dem Spannungsregler, AVCC, LCD, MAX, dort sollte überall noch einer 
hin und solltest du über PC4 und 5 messen (was ich annehme) wäre es gut 
wenn du AVCC und AGND entsprechend beschalten würdest.

Autor: Andreas Croonenbroeck (acdc)
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Hallo Malte !

Ich habe mir den Schaltplan gerade mal ausgedruckt, interessanter 
Ansatz, den Du da hast.

Bezüglich der Akku-Polarität würde ich in Reihe zum Akku (also zwischen 
den Knoten R10/R4/R8 und den Pluspol des Akkus) einen 
Relais-Schließer-Kontakt legen. Die Spule dieses Relais würde ich dann 
über einen OP ansteuern lassen, der einfach nur misst, ob der Pluspol 
positiver ist als Masse. Ein OP gegenüber einem Transistor deswegen, 
damit Du auch bei Spannungen kleiner als 0.7 Volt erkennst, ob ein Akku 
drin ist :-)

Was mir noch auffällt ist Dein unkonventioneller Anschluss des LCD ;-) 
Ich denke mal, Du hast das LCD noch nicht am Laufen, oder ? Mit Deinem 
Anschluß von D4-D7 des LCD an PB5,PB4,PB3,PB0 machst Du Dir unnötig 
Arbeit. Auf solch einen Anschluß bekommst Du wahrscheinlich keine 
gängige LCD-Library ans Laufen. Ich würde die Pine D4-D7 an PD4-PD7 
anschließen, dann RS und E an zwei der restlichen freien Pins des 
ATMega8, und damit dürftest Du auch mit gängigen Libraries keine 
Probleme haben ;-)

Warum ist R3 so groß ? Das ist doch der Entlade-Widerstand, wenn ich das 
richtig sehe, oder ? Damit begrenzt Du den max. Entladestrom einer 
Einzel-Zelle auf ca. 300 mA, ist das Absicht ... ?

Aber wie gesagt, der Ansatz gefällt mir, und wenn Du das in "C" 
programmieren willst, dann würde ich mich Dir gerne anschließen !

Gruß, Andreas

Autor: Arno H. (Gast)
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Hallo,
ein NMOS-FET in Reihe mit dem Akku mit S an R1, D an die Sicherung und 
das Gate an den Knoten Akku/T1. Wenn du auch Akkus unter der 
Schwellenspannung laden und entladen willst, sollte die Akkuspannung 
über einen Komparator ausgewertet und das Gate des FET entsprechend 
angesteuert werden.
Der BU806 ist eine ungünstige Wahl. Als Hochspannungstransistor hat er 
eine bescheidene Stromverstärkung (100 für einen Darlington ist echt 
wenig) gerade bei niedriger VCE. Ein BDW93 oder 83 würde auch den OPV 
entlasten, der bei 2A schon 20mA liefern muss. Wenn man die 
Innenschaltung des LM betrachtet, liegen von Plus in Reihe eine 
Stromquelle, 2 BE-Strecken und ein 25 Ohm Widerstand. Bei 20mA Source 
gehen min 3V flöten. Inklusive der 2Volt des BU sind schon mal mehr als 
5Volt Overhead notwendig. Hier wäre eventuell sogar Umstricken auf 
PNP-Regeltransistor überlegenswert.
Arno

Autor: Arno H. (Gast)
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Hallo,
ich hatte ein wenig rumgebastelt, nachdem mein Simulant sich weigerte 
einen revers betriebenen MOSFET vernünftig zu berechnen.
Der Transistor mit seiner Inversdiode muss natürlich so eingebaut 
werden, dass sie bei richtig eingesetztem Akku leitet. Also S und D 
vertauscht mit D Richtung R1 und S an Minus Akku. G bleibt an Plus vom 
Akku.
Allerdings muss der FET dann beim Entladen aktiv aufgesteuert werden.
Arno

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Hallo,
sorry das ich erst jetzt auf eure Vorschläge eingehe
(mein Mail Programm hat stillschweigend eine Mailadresse (samt 
Antwortmails) einen Monat lang nicht abgerufen - Argh...).

> Die 7,15V am Eingang sind wohl etwas wenig für 9V Akku.
7,15 V wäre wohl zu wenig. Ich hätte die Schrift wohl etwas besser 
platzieren  sollen - dort stand 7...15 V

> Vor und nach dem Spannungsregler, AVCC, LCD, MAX, dort sollte überall noch
> einer hin und solltest du über PC4 und 5 messen (was ich annehme) wäre es
> gut wenn du AVCC und AGND entsprechend beschalten würdest.
Bei dem Spannungsregler hatte ich im Datenblatt gelesen, dass 
Kondensatoren nicht zwangsweise nötig wären. Jetzt finde ich aber nur 
noch welche die diese verwenden. Dann werde ich die noch einbauen. LCD 
und MAX bekommen dann auch noch welchen.
Ich vermute mit AVCC und AGND entsprechen beschalten meinst du, dass ich 
die mit den Versorgungsleitungen nur an einem Punkt (möglichst nah am 5V 
Regler/Platinenanschluss) verbinden soll. Leider habe ich dafür auf der 
inzwischen gerouteten Platine keinen Platz mehr. Abgesehen davon sind 
die A/D Ergebisse nach meiner Erfahrung auch so noch gut genug wenn man 
den Mittelwert über mehrere Messungen nimmt.

> Bezüglich der Akku-Polarität würde ich in Reihe zum Akku (also zwischen
> den Knoten R10/R4/R8 und den Pluspol des Akkus) einen
> Relais-Schließer-Kontakt legen.
Ich wollte eigentlich ohne Relais auskommen, aber die Idee gefällt mir. 
Mal sehn.

> Was mir noch auffällt ist Dein unkonventioneller Anschluss des LCD ;-)
Ja, die ist nicht optimal, mir war aber ein einfaches Platinenlayout 
wichtiger. Ich habe schon mal eine eigene Ansteuerung für einen HD44780 
geschieben bei dem die Pinbelegung nicht optimal war. Das bekomm ich hin 
- auch wenn es dadurch etwas mehr Code wird.

> Warum ist R3 so groß ?
Ich wollte sicher stellen dass der maximale Strom von T2 nicht 
überschritten werden kann. Ursprünglich wollte ich dadurch auch die 
Entladeregelung möglichst genau einstellbar machen, aber beim Entladen 
ist dies eigentlich überhautp nicht so wichtig. Den werde ich wohl 
wirklich kleiner machen.

> und wenn Du das in "C" programmieren willst
Ja wird der Fall sein. Allerdings wird es bis zur Realisierung des 
Laders wohl noch ein Weilchen dauern.

> ein NMOS-FET in Reihe mit dem Akku mit S an R1, D an die Sicherung und
> das Gate an den Knoten Akku/T1. Wenn du auch Akkus unter der
> Schwellenspannung laden und entladen willst, sollte die Akkuspannung
> über einen Komparator ausgewertet und das Gate des FET entsprechend
> angesteuert werden.
??? du meinst einen NMOS-FET anstelle von OP1?

> Der BU806 ist eine ungünstige Wahl.
> (100 für einen Darlington ist echt wenig)
Also ich habe aus dem Datenblatt eine Verstärkung von 200 bei 1,5VCE und 
2A Last gelesen. Ich hatte ihn gerade deswegen genommen weil im 
Datenblatt eine Kennlinie mit niedrigen VCE= 1,5V vorhanden war:
http://www.fairchildsemi.com/ds/BU/BU806.pdf

Ansonsten, die Accus, die mit Abstand die höchste Spannung benötigen 
sind bei mir 9V Block und die brauchen keine 2A Ladestrom ;-)

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Ein kleiner Zwischenbericht:
Die Platine (Anhang) ist größtenteils aufgebaut und ein Testprogramm 
läuft.
Es fehlt noch ein Gehäuse sowie die Elektronik, die nicht direkt auf der 
Platine sitzt und eine funktionierende Software.

Autor: Andreas Croonenbroeck (acdc)
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Hallo Malte !

Gibt es denn einen aktualisierten Schaltplan, an dem man mal sehen kann, 
wie Deine Hardware zur Zeit aussieht ?

Gruß, Andreas

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Siehe Anhang.
Im Wesentlichen sind nur die Kondensatoren hinzugekommen.
Für AREF hätte ich inzwischen lieber eine externe 
Referenzspannungsquelle genommen - aber das ist jetzt zu spät.

Autor: Andreas Croonenbroeck (acdc)
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Hi Malte !

Sind ja wirklich kaum Änderungen drin ... wolltest Du nicht einen 
Verpolschutz für den zu ladenden Akku einbauen ?

Gruß, Andreas

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Ich bin zu dem Schluss gekommen dass ich es akzeptiere dass bei einer 
Falschpolung der Akku kurzzeitig kräftig entlanden wird bis die 
Sicherung F1 schmilzt. Wenn der Akkustrom nicht ausreicht um die 
Sicherung zum schmelzen zu bringen, soll der Mikrocontroller den 
Benutzer informieren, dass er den Akku schleunigst abzuklemmen hat.

So oft wird eine Falschpolung bei nicht vorkommen (wenn überhaupt) dass 
die Kosten der Sicherungen ins Gewicht fallen. Hauptsache der restlichen 
Schaltung passiert nichts.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Bau doch ´ne Polyswitch-Sicherung (Multifuse) ein, dann mußte nicht 
dauernd verbrannte Feinsicherungen wegwerfen. Ich würde an Deiner Stelle 
den µC die Polklemmen über hochohmigen Spannungsteiler überwachen und 
nur wenn der Akku richtig gepolt ist, ihn mittels Relaiskontakt an die 
Ladeschaltung klemmen lassen.

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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So ganz glücklich war ich mit der Sicherungsmethode aber noch nicht. 
Also habe ich nochmal nachgedacht. Das Problem ist, dass T1 bei einer 
Falschpulung durchsteuert also habe ich versucht das zu verhindern.

Erklärung:
Wird ein Akku falsch herum angeschlossen, so ist der Knoten T1, NIMH 
Akku der Punkt mit der niedrigsten Spannung (negative Spannung). Ohne T3 
würde der OP1 0V ausgeben, und da dies oberhalb der negativen Spannung 
liegt, würde T1 durchsteuern und so den Akku stark entladen.
Mit T3 muss die Basis von T3 um ~0.7V unterhalb des Ermitters liegen. Da 
der OP1 jedoch 0V ausgibt, trifft dies nicht zu und der Transistor 
sperrt. Somit bekommt T1 keinen Basisstrom und sperrt ebenfalls. Der 
Akku wird nicht entladen. Der Controller erhält durch das Anheben seiner 
Ausgangsspannung auf über 0.7V aber weiterhin die Möglichkeit eventuell 
durch Tiefentladung bereits fehlgepolte Akkus zu laden.

Bei richtig angeschlossenen Akkus liegt der Kollektor von T3 oberhalb 
von 0.7V und somit regelt sich der OP1 auf einen ähnlichen Pegel ein. 
Der Transistor leitet und es kann normal geladen werden. Allenfalls ist 
aufgrund von T3 der minimale Spannungsabfall an T1 um 0.1 bis 0.2V 
größer.

Ich hoffe da ist kein Denkfehler drinn.

Autor: Arno H. (Gast)
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Hallo,
vermutlich doch.
Wenn der Kollektor von T3 negativ gegenüber der Basis ist, hast du eine 
ganz normale Diode, die den Basisstrom für den BU liefert.
Ein NPN mit Kollektor an Basis T1, Emitter an Emitter und die Basis über 
einen kleinen Widerstand und Schutzdiode vom Knoten R2-R3 abgeleitet 
schliesst den T1 bei negativer Spannung kurz und sperrt ihn. Du kannst 
auch mit 2 Dioden aus 5V oder aus einer Betriebs-LED eine Referenz für 
die Basis erzeugen.
Arno

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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@Malte: Ich würde mir gar keine Gedanken über einen Verpolungsschutz 
machen, sondern das Thema mechanisch lösen. Die letzten Batteriekisten 
(Mignon) vom lokalen Krauter hatten links und rechts vom Pluspol einen 
Plastenippel, der verhindert, dass der Batterieboden einer falsch 
eingelegten Zelle Kontakt bekommt. Dasselbe gilt für 
Modellbau-Akkupacks. Die dort verwendeten Steckverbinder sind 
verpolsicher. Bei 9V-Clips wird man etwas suchen müssen, aber auch da 
gibt es solche mit Kragen um den Pluskontakt. Naja, und wer bei 
Krokodilklemmen Rot und Schwarz nicht auseinanderhalten kann, ist eh ein 
Fall für den Augenarzt. ;-)

Gruss
Jadeclaw.


Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Hallo nochmal,
Der Lader ist jetzt in den Grundzügen fertig ;-)

> Ein NPN mit Kollektor an Basis T1, Emitter an Emitter und die Basis über
> einen kleinen Widerstand und Schutzdiode vom Knoten R2-R3 abgeleitet
> schliesst den T1 bei negativer Spannung kurz und sperrt ihn.
Die Methode müsste aber den Ausgang des OPs weit unterhalb seine 
Versorgungsspannung ziehen.

Folgende Probleme sind mir noch aufgefallen:
-Vor T2 muss noch eine Verpolungsschutzdiode - sonst würde T2 bei 
Verpolung falsch herum Durchsteuern.

-Etwas unschön: Wenn der Akku nicht mehr genügend Entladestrom liefern 
kann, so regelt OP2 seinen Ausgang hoch und versucht mit dem Basisstrom 
von T2 diesen zu kompensieren. Der AVR glaubt dann es würden bis zu 44mA 
Entladestrom fließen- selbst wenn kein Akku angeschlossen ist. Sehr 
stark dürfte das aber nicht stören, solange die angeschlossenen Akkus 
den geforderten Entladestrom liefern können.

-Wenn Lade und Entlateschaltung auf 0 stehen fließt trotzdem ein 
Ladestrom von ca 2,7mA bis 3mA. Beim Laden oder Entladen sind die vom 
AVR gemessenen Werte gegenüber denen eines Multimeters am Ausgang 
entsprechend um diesen Wert verschoben.

Ansonsten zum Status:
-Die Software steht im Groben, ich befürchte nur dass ich für 
zusätzliche Feinheiten (Kalibrierungs Werte im EEProm, zusätzliche 
Fehlermeldungen) keinen Speicher mehr habe. Derzeit benötigt das 
Programm 6,5KB + 1KB Bootloader.

-Höhere Strömen habe ich noch nicht getestet da den Transistoren noch 
die Kühlkörper fehlen.

-Ob eine Abschaltung durch -d/U Erkennung zuverlässing funktioniert weiß 
ich noch nicht, da ich je nach Webseite unterschiedliche Werte für die 
Stärke des Spannungsabfalls bei NIMH Akkus gefunden habe.
Im Anhang ist eine Grafik die den Spannungsverlaufs (abzüglich eines 
konstanten Wertes) in Millivolt beim Laden von zwei in Reihe 
geschalteten NIMH 1100mA/h Zellen mit 108mA Ladestrom über 30 Minuten 
mit ~6600 Messwerten.

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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Nach langer Pause bin ich jetzt überwiegend fertig. Bei der Software 
fehlt noch ein Kalibrierungsmodus und für eine funktionierende -d/U 
Abschaltung muss ich mir noch was ausdenken.

Hardwaretechnisch habe ich den T2 duch einen MOSFET ersetzt, um nicht 
beim Entladen den Basisstrom, der vom OP gestellt wird, mit zu messen. 
Das hatte zur Folge, dass der gemessene Entadestrom nie unter den 
Kurzschlusstrom (20-40mA) des OP fallen konnte und leistungsschwache 
Akkus waren somit scheinbar nie leer.
Unglücklicherweise scheint jetzt die Regelung oberhalb von rund 100mA 
anfangen zu schwingen. Bei einem Sollwert von 160mA schwankt der 
angezeigte Wert zwischen 100 und 200mA. Und bei einem Sollwert von 550mA 
werden nur 300-400mA erreicht. Beim Laden sind die Werte hingegen 
wunderbar gleichmäßig.
Hier der aktuelle Schaltplan:
http://www.marwedels.de/malte/akkulader1/lader1-2.png
Hat jemand eine Idee wie sich dies beheben lassen könnte?

Autor: freundchen (Gast)
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Setzt zwischen Ausgang und invertierenden Eingang von OP2 einen 
Kondensator ab 100 pF aufwärts bis es nicht mehr schwingt.
Das gleiche gilt eigentlich auch für OP1.

Autor: Malte __ (malte) Benutzerseite
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freundchen wrote:
> Setzt zwischen Ausgang und invertierenden Eingang von OP2 einen
> Kondensator ab 100 pF aufwärts bis es nicht mehr schwingt.
> Das gleiche gilt eigentlich auch für OP1.
Danke ein 3,3nF Kondensator löste das Problem.
Und auch danke an all die mir (in mehreren anderen Threads hier) 
geholfen haben.

Der Lader ist jetzt übrigens (endlich) fertig:
http://www.marwedels.de/malte/akkulader1

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