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Low-Cost Ladegerät zur Formierung von Flugakkus (NiCd / NiMH)

Bei der Verwendung von Akkus im alltäglichen Flugbetrieb ist es eine Empfehlung der Akkuhersteller "von Zeit zu Zeit" seine Akkus zu formieren.

Zu diesem Zweck sollen die Akkus mit 1/10 C Konstantstrom geladen werden.

Das bedeutet, dass ein NICD-Akku von 500 mAh mit einem Konstantstrom von 50 mA über eine Dauer von 14 Stunden geladen wird. Die in den Akku eingebrachte "Strommenge" von 14 h x 50 mA = 700 mAh entspricht dabei nicht der im Akku typischerweise gespeicherten Strommenge. Dies liegt daran, dass Verluste beim Laden auftreten, welche nicht zu "eingelagertem" Strom werden.

Neben dieser Art zu Laden , welche sehr lange dauert (wie gesagt 14 h) gibt es noch eine Vielzahl von Schnellladeverfahren, welche dazu fähig sind, Akkus innerhalb kürzester Zeit "vollzupumpen".

Nach einiger Zeit ist es aber trotzdem empfehlenswert, die Akkus einer gewissen Akkupflege zu unterziehen, welche das mehrfache Laden (14 h mit 0,1 C Konstantstrom) mit einem anschließenden Entladen mit ca. 1 C (bis zu einer Zellenspannung von 0,8 V) beinhaltet.

Hier soll nun eine einfache und billige 2,5 € Lösung vorgestellt werden, mit welcher sowohl das Laden als auch das Entladen der Akkus realisiert werden kann.

 

Die Schaltung:

Das Herzstück der Schaltung bildet ein Spannungsregler LM 317 T, welcher durch die externe Beschaltung zu einer Konstantstromquelle umfunktioniert wird. Die Schaltung sieht wie folgt aus:

Dabei ist der integrierte Spannungsregler LM 317 T das eigentlich regelnde Bauteil. Dieser erkennt den Spannungsfall am angeschlossenen Widerstand und versucht, diesen auf etwa 1,25 V zu halten.

Für den zu liefernden Strom kann der Widerstand R nach folgender Formel berechnet werden:

R = 1,25V / I(konst)

Dabei ist der Strom I in Ampere (A) einzusetzen

Des Weiteren muss der Widerstand eine gewisse Leistung vertragen können, um nicht zu heiß zu werden und dann abzudampfen.

Diese Leistung errechnet sich aus dem Produkt des Stromes und der Spannung,

also für einen Akku von 500 mAh wie folgt:

P (Verlustleistung) = 1,25 V x 50 mA = 0,0625 Watt.

Man würde also einen Widerstand von ¼W oder ½ W wählen. (Damit noch genug Reserven übrig sind).

Daraus ergeben sich folgende Werte für R bei verschiedenen Strömen:

Akku

Konstantstrom

für 0,1 C

R (Ohm)

Verlustleistung

20 mAh

2 mA

625 Ohm

0,0025 W

100 mAh

10 mA

125 Ohm

0,008 W

260 mAh

26 mA

48 Ohm

0,0325 W

500 mAh

50 mA

25 Ohm

0,0625 W

1250 mAh

125 mA

10 Ohm

0,157 W

1700 mAh (1,7 Ah)

170 mA

7,3 Ohm

0,213 W

2400 mAh (2 Ah)

200 mA

6,25 Ohm

0,25 W

Es sind natürlich auch alle weiteren Stromgrößen einstellbar.

Zu erkennen ist, dass alle aufgelisteten Akkus mit einem Widerstand von ½ W ausreichend dimensioniert sind

Eingangsspannung

Als Eingangsspannung ist ausschließlich Gleichspannung geeignet. Als Quelle für diesen Gleichstrom können entweder andere Akkumulatoren (z.B. Autobatterien) oder aber Netzgeräte benutzt werden. Zu beachten ist dabei, dass die Eingangsspannung um ca. 5-6 Volt über der Ladeentspannung (also der Nennspannung des Akkus zuzüglich ca. 1-2 V) liegen sollte.

Hierzu ein Beispiel:

Es soll ein 8-zelliger NiCd Akku von 500 mAh geladen werden

Nach der oben genannten Formel ergibt das einen Widerstand von 25 Ohm.

Ein 8-zelliger Akku hat eine Nennspannung von

8x1,2 V = 9,6 V

Zu diesem Wert wird ein Zuschlag von 2 Volt für die Ladeentspannung (Stark abhängig vom Akku) und noch einmal 5 Volt für die Elektronik gerechnet. Das führt zu einer Versorgungsspannung von mindestens 16,6 V.

Da die Elektronik mit Spannungen bis zu ca. 30 V zurechtkommt empfehle ich der Einfachheit halber entweder 2 Autobatterien in Serie zu schalten (ergibt 24 V Eingangsspannung), oder ein entsprechendes Netzgerät mit ca. 20 – 30 V. Die entsprechenden Schaltungen sind weiter unten zu finden.

Zu erwähnen ist dabei aber, dass mit der Differenz der Akkuspannung zur Versorgungsspannung die Verlustleistung der Elektronik steigt, was zu einer Erhitzung der Bauteile (also vor allem des Reglers) führt.

Verlustenergiebetrachtung

Diese Schaltung ist so ausgelegt, dass der überflüssige Strom in den Bauteilen (vor allem dem LM 317 T) verbraucht wird. Das kann dazu führen, dass diese Bauteile heiß werden.

Um die Energie abführen zu können, sollte also ggf. am Chip selber ein Kühlkörper angeschraubt werden. Generell kann man sagen, dass ein Kühlkörper niemals zu groß, aber ohne weiteres zu klein gewählt werden kann.

Die entstehende Verlustleistung ergibt sich zu:

P Verlust = I Lade x (U Versorgung – U Accumulator – 1,25 V )

Im Beispiel sieht das wie folgt aus:

Als Versorgungsspannung sollen 2 Autobatterien genommen werden, das bedeutet eine Versorgungsspannung von 24 V.

Als Akku soll ein 7-zelliger Flugaccu von 1700 mAh genommen werden. Dies bedeutet eine Akkuspannung von ca. 8,4 V und einen Ladestrom von 170 mA.

Eingesetzt in die Formel ergibt sich:

P Verlust = 0,170 A x (24V – 8,4 V – 1,25 V) = 2,44 W.

Diese Leistung muss der Chip also "loswerden" können.

Das bedeutet, dass mit einem relativ kleinen Kühlkörper (ca. 4x4 cm) gearbeitet werden kann.

Ein gutes Mittel, um festzustellen, ob der gewählte Kühlkörper ausreichend ist, ist einfach mit den Fingern nach dem Einschalten zu fühlen, ob der Kühlkörper heiß wird.

Vorsicht!! Hierbei kann man sich auch die Finger verbrennen.

Energieversorgung:

Zu Energieversorgung der Schaltung kann man 2 Bleiakkus in Reihe schalten. Das folgende Bild soll dieses Verfahren verdeutlichen. Dabei ist darauf zu achten, dass unbedingt die Sicherung eingebaut ist, da es ansonsten durch die hohen Kurzschlussströme von Bleiakkumulatoren (immerhin einige 100 A (!) ) zu Bränden bzw. Abschmelzen von Isolationen etc. kommen kann.

Hier die Schaltung mit Bleiakkus:

Eleganter und mit weniger Aufwand kann man natürlich auch jedes handelsübliche Netzgerät benutzen. Zu beachten ist allerdings, dass dieses einen Gleichstrom liefert und bei der gefragten Ausgangsspannung noch den benötigten Strom treiben kann.

 

Grenzen der Schaltung und mögliche Erweiterungen:

Die Grenzen der Schaltung liegen in der Hauptsache in der Fähigkeit des Chips, lediglich Ströme bis 1 A treiben zu können. Soll diese Grenze nach oben erweitert werden, so kann die entsprechende Anzahl von Chips parallel geschaltet werden.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass immer nur ein bestimmter Strom getrieben werden kann. Dies lässt sich durch die Verwendung von mehreren Schaltern mit den dazugehörigen Widerständen abstellen.

Wählt man z.B. die Stromwerte 0,1 A für S1; 0,2 A für S2; 0,4 A für S3; und 0,8 A für S4, so lassen sich durch die Kombination der Schalter alle Werte von 0,1 A bis 1,5 A in 100 mA Schritten einstellen. Die entsprechend erweiterte Schaltung sei hier dargestellt:

 

Autor: Stefan Müller

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