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Schaltungspraxis - Akku-Ladegerät

Kostengünstiges 20-W-Ladegerät für Bleiakkus

20. Januar 2017, 14:34 Uhr | Markus Zehendner und Bernd Geck

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Verknüpfen der Messwerte für Strom und Spannung

Wird die Ladeschaltung mit einem angeschlossenen entladenen Akku eingeschaltet, liefert sie zunächst einen konstanten Strom, der sich mit dem Widerstand R₁₇ (Bild 2) einstellen lässt. Das Strommesssignal am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 übersteuert dabei infolge der Oder-Verknüpfung das Ausgangsspannungssignal (OP1). Mit zunehmender Aufladung des Akkus steigt seine Klemmenspannung. Sobald der Grenzwert von 13,8 V erreicht ist, erfolgt das weitere Aufladen mit konstanter Spannung, da jetzt die Ausgangsspannung das dominierende Signal ist. In dieser Betriebsart geht der Ausgangsstrom immer weiter zurück, bis der Akku vollständig aufgeladen ist. Anschließend sorgt ein kleiner Strom dafür, dass sich der Akku nicht wieder entlädt (Erhaltungsladung). Für Tests unter realen Bedingungen mit einem Akku des Typs NP 5-12 von Yuasa wurde der Ladestrom auf 1 A begrenzt, was 1/5 C entspricht, 20 % der Nennkapazität des Akkus. Ist der Akku komplett geladen, liefert die SEPIC-Ladeschaltung einen Erhaltungsladestrom von 5 mA. Dies sorgt dafür, dass die Akkuzellen nicht beschädigt werden und sich auch nicht selbst entladen, solange der Akku an das Ladegerät angeschlossen bleibt.

Die Schaltung lässt sich einfach an andere Akkus mit mehr oder weniger Zellen in Reihenschaltung anpassen. Dazu müssen der zur Rückkopplung der Ausgangsspannung dienende Spannungsteiler R₁₈/R₁₉ und der zur Begrenzung des Ladestroms dienende Widerstand R₁₇ entsprechend geändert werden. Da der obere Widerstand des Spannungsteilers (R₁₈) auch die Verstärkung des Fehlerverstärkers beeinflusst, ist es sehr empfehlenswert, die erforderliche Modifikation am unteren Widerstand R₁₉ vorzunehmen. Je nach der gewählten Ausgangsspannung kann es notwendig sein, auch den Leistungs-MOSFET (T₂) und die Diode (D₃) auszutauschen.

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Unterschiede zwischen ohmschen/elektronischen Lasten und einem Akku

Wenn eine Stromversorgung an einer ohmschen oder elektronischen Last einwandfrei funktioniert, bedeutet dies nicht unbedingt, dass dies an einem realen Bleiakku genauso ist. Ein Akku ähnelt nämlich in bestimmten Eigenschaften einem Kondensator und verhält sich deshalb etwas anders als die beiden anderen Verbraucher, wenn er mit einer Stromversorgung verbunden wird. Für die Ladeschaltung musste der Regelkreis des ursprünglichen DC/DC-Wandlers deshalb geringfügig abgeändert werden, obwohl die Schaltung mit den beiden zuerst erwähnten Lasten einwandfrei funktionierte. Zum Laden eines Akkus muss der Konstantstromregelkreis anders als der Spannungsregelkreis ein gutes dynamisches Verhalten aufweisen. Die Stromregelschleife der Ladeschaltung (Bild 2) erzielt eine Bandbreite von rund 7 kHz. Im Vergleich dazu muss die Konstantspannungsregelung wesentlich langsamer sein. Ihre Bandbreite mit einer ohmschen Last beträgt 296 Hz. Ist der Bleiakku (NP 5-12 von Yuasa) am Ausgang angeschlossen, liegt die Bandbreite des Spannungsregelkreises zwischen 60,9 Hz und 3,9 Hz für einen von 900 mA auf 70 mA zurückgehenden Ladestrom. Das Verhalten und die Bandbreite der Stromregelschleife bleiben unter allen getesteten Lastbedingungen identisch. Unter sämtlichen angegebenen und geprüften Bedingungen beträgt die Phasenreserve außerdem durchgängig mehr als 60 ° (Bild 3).

Literatur

[1] 20W SEPIC Low-Cost Lead Acid Battery Charger Reference Design. Texas Instruments, PMP10081, http://www.ti.com/tool/pmp10081

Bernd Geck
ist Leiter des European Power Supply Design Services Teams bei Texas Instruments in Freising. Er hat an der Fachhochschule Ulm ein Elektrotechnik-Studium abgeschlossen und verfügt über mehr als zwanzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Stromversorgungs- und Hochfrequenzschaltungen. Im Oktober 2006 rief er bei TI die EMEA Power Supply Design Services ins Leben. Gemeinsam mit seinem Team entwickelt er jährlich mehr als 200 Schaltungen. In zahlreichen Seminaren und Workshops in ganz Europa und Nordamerika unterrichtete er außerdem Kunden in der Entwicklung von Stromversorgungen. Im Jahr 2011 wurde Bernd Geck zum Member of Technical Staff bei Texas Instruments ernannt.

Bernd Geck

ist Leiter des European Power Supply Design Services Teams bei Texas Instruments in Freising. Er hat an der Fachhochschule Ulm ein Elektrotechnik-Studium abgeschlossen und verfügt über mehr als zwanzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Stromversorgungs- und Hochfrequenzschaltungen. Im Oktober 2006 rief er bei TI die EMEA Power Supply Design Services ins Leben. Gemeinsam mit seinem Team entwickelt er jährlich mehr als 200 Schaltungen. In zahlreichen Seminaren und Workshops in ganz Europa und Nordamerika unterrichtete er außerdem Kunden in der Entwicklung von Stromversorgungen. Im Jahr 2011 wurde Bernd Geck zum Member of Technical Staff bei Texas Instruments ernannt.

asktexas@ti.com

Markus Zehendner
ist seit 2014 als Systems Applications Engineer im European Power Supply Design Services Team von TI tätig. Er hat Elektrotechnik (B.Sc.) und Elektro- und Mikrosystemtechnik (M.Sc.) an der Technischen Hochschule Regensburg studiert. Zu seinen Entwicklungsaktivitäten gehören Referenz-Designs für Gleichspannungswandler – mit und ohne galvanischer Trennung – für jegliche Anwendungsgebiete.

asktexas@ti.com