Ladegerät - Konflikt Ladeendspannungserkennung/Strombegrenzung?

[Ralph K. (rosti_mcn)]

Hallo,

der Teufel hat mich geritten ein Bleiakku-Ladegerät zu analysieren, nur 
um zu verstehen, wie das eigentlich funktioniert. Und als bekennender 
Nicht-Elektroniker hab ich mit so was natürlich auch immer mal ein 
Problem. So auch diesmal. Analoge Schaltungslogik ist das Stichwort. Da 
mein Gehirn inzwischen schon erste Anzeichen von entweichendem Rauch 
zeigt, bitte ich euch nun hier um Erleuchtung.

Bild 1 zeigt schematisch den Teil der Schaltung, der die 
Ausgangsstrombegrenzung und die Ladeendeerkennung (Erreichen der 
Ladeendspannung) erledigt:

<Bild1>

Für die Funktion ist zwingend erforderlich, dass der OpAmp-B-Ausgang auf 
low bleibt, solange die Ladeendspannung nicht erreicht wurde - 
unabhängig davon, ob die Strombegrenzung aktiv ist oder nicht. Und genau 
da liegt mein Problem: wenn OpAmp-A-Ausgang gegen VDD geht 
(Strombegrenzung nicht aktiv), sollte nach meinem Verständnis der 
nichtinvertierende Eingang von OpAmp-B eine höhere Spannung sehen als 
der invertierende. Wo liegt da mein Sehfehler???

Ich hätte soetwas wie hier in Bild 2 erwartet (D??? und R??? ergänzt):

<Bild2>

Für alle die neugierig sind oder meiner Schematisierung der Schaltung 
(ob berechtigt oder unberechtigt) nicht trauen, hier noch die 
Gesamtschaltung:

<Bild 3>

Der fragliche Schaltungsteil liegt unten in der Mitte. Hier dann mit ein 
paar Kommentaren, die ich gewohnheitsmäßig an den Stellen einfüge, die 
sich mir beim Anschauen nicht sofort erschließen.

Wünsche euch ein schönes Osterfest - Ostereier suchen macht mehr Spaß 
als Schaltungstücken verstehen :)))

Gruß, Ralph

PS: Entschuldigt bitte die fehlende Bildverlinkung, hab die Syntax auf 
die Schnelle nicht gefunden und MUSS jetzt aufhören.

[Hans W. (hanswieland)]

Gut, du hast selbst bemerkt, dass in deinem reduzierten Schaltplan eine 
Diode fehlt.

Grundsätzliches zur Funktion:

Der Ausgang vom OP-Amp B ist nur für die laden/fertig Anzeige. Er regelt 
nichts.

Bei Überschreiten der Ladespannung schaltet der TL431 die LED vom 
Feedback-Optokoppler ein, damit der Schaltregler abregelt.

Bei Überschreiten des Ladestroms zieht OP-Amp A die Leitung zum 
Optokoppler runter, so dass die LED leuchtet und der Schaltregler 
abregelt.

Ralph K. schrieb:
> wenn OpAmp-A-Ausgang gegen VDD geht (Strombegrenzung nicht aktiv),
> sollte nach meinem Verständnis der nichtinvertierende Eingang von
> OpAmp-B eine höhere Spannung sehen als der invertierende.

Das tut er auch.

Am Ausgang des TL431 ist die Spannung hoch solange die Schlussspannung 
nicht erreicht ist. Der + Eingang vom OP-Amp A sieht dann etwa 11 Volt.

Die Spannung am 1M Widerstand und - Eingang des OP-Amp ist wegen den 
zwei Dioden um 1,2V niedriger.

Mir ist etwas anderes unklar: Wie kommt der - Eingang (= 1M Widerstand) 
am Ende des Ladevorgangs auf eine höhere Spannung, als der + Eingang? 
Ich sehe keine Quelle, die die Spannun am 1M Widerstand so hoch bringen 
kann.

Möglicherweise wird dabei eine spezielle Eigenschaft des OP-Amp 
ausgenutzt, die von einem idealen OP-Amp abweicht. So genau kenne ich 
dieses IC nicht.

[Ralph K. (rosti_mcn)]

Moin Hans, danke für's Reingucken.

Hans W. schrieb:
> Der Ausgang vom OP-Amp B ist nur für die laden/fertig Anzeige. Er regelt
> nichts.

Doch, er triggert mit einer high-low-Flanke den Count-Down des MC14541. 
(Während dessen ca. einstündigen Countdowns soll die Spannung auf 
Ladeendspannung 14.7V bleiben und die Batterie mit allmählich sinkendem 
Strom weiter laden. Am Ende dieser Zeit schaltet der MC1451 Transistor 
Q2 aus und damit wird die Ausgangspannung des Schaltnetzteils auf 
Erhaltungsladung abgesenkt.)

Hans W. schrieb:
> Mir ist etwas anderes unklar: Wie kommt der - Eingang (= 1M Widerstand)
> am Ende des Ladevorgangs auf eine höhere Spannung, als der + Eingang?
> Ich sehe keine Quelle, die die Spannun am 1M Widerstand so hoch bringen
> kann.

Stimmt. Danke für den Hinweis.

Aber hier gibt es leider auch ein Missverständnis, weil ich aus Versehen 
im hochgeladenen kompletten Schaltplan die "erfundenen" R??? und D??? 
drin gelassen habe. Die sind ja hardwareseitig nicht vorhanden (D??? ist 
ein Leiterzug). Der Ausgang von OPA A zieht also den invertierenden 
Eingang von OPA B hoch. Ich habe hier den kompletten Plan noch mal 
hochgeladen [[Datei:Ladegeraet.png]], exakt so wie die Platine bestückt 
ist (vorausgesetzt ich habe beim Re-Tracen keinen Fehler gemacht).

Ralph K. schrieb:
> wenn OpAmp-A-Ausgang gegen VDD geht (Strombegrenzung nicht aktiv),
> sollte nach meinem Verständnis der nichtinvertierende Eingang von
> OpAmp-B eine höhere Spannung sehen als der invertierende.

Oops, man sollte sein Problem korrekt beschreiben können :-o War wohl 
gestern nicht mein Tag. Ich wollte schreiben:

  ... der invertierende Eingang von OpAmp-B eine höhere Spannung sehen 
als der nicht invertierende ...

Das Problem ist, dass er das eben nicht darf, solange die 
Ladeschlussspannung nicht erreicht wurde, egal ob die Strombegrenzung 
zuschlägt oder nicht.

Kann die Lösung vielleicht in ein paar Millivolt liegen??
Der Spannungsabfall am Optokoppler könnte bei kleinen Strömen z.B. nur 
1.2V...1.3V sein, die Ausgänge des LM358 dagegen bleiben laut Datenblatt

 IOUT = 50 μA  1.35 ... 1.42 V
 IOUT = 1 mA  1.40 ... 1.48 V
 IOUT = 5 mA  1.50 ... 1.61 V

unter VDD. Dann wäre der Ausgang von OPA A also wie gefordert auch bei 
"output high" immer unter der Spannung an der Kathode des Optokopplers. 
Nur 'ne Idee. Taugt die was?

[Hans (piaggio)]

Der Brückengleichrichter für die Netzspannung sieht seltsam aus.
Der Strom vom Minuspol der Verbraucher kann nicht zurück zur 
Netzleitung.
Die Dioden DBG2 und DBG4 unterbrechen abwechselnd den Stromkreis.

[Hans W. (hanswieland)]

Also nochmal mit dem neuen Schaltplan.

Phase 1: Constant Current:

Zunächst fließt beim Laden der maximale Strom. Darum geht der Ausgang 
von OP-Amp A her runter. Durch die beiden Dioden wird die LED vom 
Feedback-Optokoppler zum Leuchten gebracht, so dass der Schaltregler auf 
die Schwelle zum maximalen Strom herunter regelt. Am unteren Anschluss 
des Optokopplers stellen sich etwa 9V ein. Der Ausgang des OP-Amp A muss 
dazu wegen den beiden Dioden D8/D9 etwa 1,2V tiefer gehen, also auf 
ungefähr 7,8V.

Der Spannungsabfall an den beiden Dioden D8/D9 bewirkt, dass die 
Spannung am + Eingang von OP-Amp B etwa 1,2V höher ist, als am - 
Eingang. Sein Ausgang geht also sicher auf HIGH (=aufladen).

Phase 2: Constant Voltage:

Irgendwann erreicht der Akku die maximale Ladespannung. Der linke TL431 
zieht seinen Ausgang auf knapp unter 9V herunter und übernimmt damit die 
Kontrolle über die Regelung durch den Optokoppler. Damit wird der 
Schaltregler nun auf die Schwelle zur maximalen Spannung herunter 
geregelt.

Da die Akkuspannung nun konstant ist, sinkt der Ladestrom ab. Der 
Ausgang von OP-Amp A steigt nun allmählich von 7,8V auf knapp über 9V 
an. Die beiden Dioden spielen dabei keine Rolle mehr (sie leiten nicht). 
Bald erreicht der Ausgang von OP-Amp A mehr als die 9V vom TLV431, dann 
kippt der Ausgang von OP-Amp B zum LOW Pegel (=fast fertig).

Dadurch triggert er den Timer, welcher nach einer Weile "fertig" meldet.

Möglicherweise stimmt meine Schätzung mit den 9V und 1,2V nicht, dann 
sind alle genannten Spannungen halt etwas anders. Es ändert aber nichts 
am Funktionsprinzip.

[Ralph K. (rosti_mcn)]

Hans schrieb:
> Der Brückengleichrichter für die Netzspannung sieht seltsam aus.
> Der Strom vom Minuspol der Verbraucher kann nicht zurück zur
> Netzleitung.
> Die Dioden DBG2 und DBG4 unterbrechen abwechselnd den Stromkreis.

Oh natürlich. Ist im hier angehängten Schaltplan korrigiert.
Dieser enthält außerdem eine verbesserte Beschreibung der 
OpAmp-Funktionalität. Dazu gleich noch mehr...

[Ralph K. (rosti_mcn)]

Da mein nur mäßig elektronisch trainiertes Hirn sich geweigert hat, die 
bisherigen Erklärungen als endgültige Wahrheit zu akzeptieren, habe ich 
die Sache inzwischen mal simuliert - siehe Bild im Anhang.

Gezeigt werden je die zwei Potentiale "nonCC" (Ausgang von OPA-A) und 
"Opto-K" (Kathode des Optokopplers) sowie deren beider Differenz.
In den Simulationen wurde etwa in der Mitte (nach 1s) die 
Ladeschlußspannung erreicht.
Jedes der vier Teilbilder enthält zwei Diagramme: links das Ergebnis mit 
einem OPA mit einem ähnlichen Ausgangsspannungsbereich wie der konkret 
verwendete LM358 und rechts davon das Ergebnis mit einem 
"Full-Rail-to-Rail" OPA.

Entscheidend für die Funktion der Schaltung ist nun, dass eine eventuell 
vor dem Erreichen der Ladeschlußspannung beendete Ladestrombegrenzung 
(siehe die beiden rechten Teilbilder) nicht bereits zum "Umschalten" von 
OPA-B führt. Anders gesagt: die Differenzspannung in den Diagrammen muss 
über null Volt bleiben, solange die Ladeschlußspannung  nicht erreicht 
wurde.

Ralph K. schrieb:
> Kann die Lösung vielleicht in ein paar Millivolt liegen??
> Der Spannungsabfall am Optokoppler könnte bei kleinen Strömen z.B. nur
> 1.2V...1.3V sein, die Ausgänge des LM358 dagegen bleiben laut Datenblatt
> IOUT = 50 μA  1.35 ... 1.42 V
>  IOUT = 1 mA  1.40 ... 1.48 V
>  IOUT = 5 mA  1.50 ... 1.61 V
> unter VDD. Dann wäre der Ausgang von OPA A also wie gefordert auch bei
> "output high" immer unter der Spannung an der Kathode des Optokopplers.
> Nur 'ne Idee. Taugt die was?

Das Ergebnis zeigt, dass das die richtige Denkrichtung war. Damit der 
Ausgang von OPA-B auf HIGH bleibt, auch wenn die Ladestrombegrenzung vor 
dem Erreichen der Ladeschlußspannung beendet wird, muss die 
Ausgangsspannung von OPA-A halt immer unter der Spannung an der 
LED-Kathode des Optokopplers bleiben. Und das tut der konkret verbaute 
OpAmp LM358 auch, weil sein "Output Voltage Swing" so klein ist, dass er 
nie "VDD minus Spannungsabfall am Optokoppler" erreicht. Verwendet man 
stattdessen z.B. einen OpAmp mit "Full Rail-to-Rail"-Ausgang, sieht die 
Sache anders aus: das Ende der Ladestrombegrenzung würde vorzeitig zur 
Beendung des Ladeprozesses durch OPA-B führen, wenn dieser Zeitpunkt vor 
dem Erreichen der Ladeschlußspannung liegt.

Die Simulation zeigt auch klar, dass die doppelte Flußspannung durch die 
zwei seriellen Dioden D8+D9 für die "Logikfunktion" unerheblich ist. 
Sieht jemand einen davon unabhängigen Grund, warum der Entwickler die 
zwei Dioden statt nur einer verwendet haben könnte?