Elektronik im Modellbau

Selbstbauprojekte mit Mikrocontrollern

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Ladegerät für NiCd/NiMH Akkus

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Ladegerät

Das hier vorgestellte Ladegerät dient zum Laden, Entladen, Formieren und Auffrischen von Akkus. Es bietet folgende Funktionen: Entladen auf eine Entladeschlussspannung von ca. 0,85 Volt/Zelle, dann 14 Stunden lang Laden mit einem Strom I, der einem Zehntel der Kapazität C des Akkus ("C/10", oder besser: I = C/10h) entspricht. Ich verwende es zum Laden meiner Sender- und Empfängerakkus.

Wie in allen Fragen der Religion, ist die Welt gespalten, wenn es um den richtigen Weg (hier: das Laden von NiCd/NiMH-Akkus) geht.

Ich möchte nicht von meiner Homepage herab einen weiteren leuchtenden Pfad der Wahrheit verkünden, sondern einfach ein paar Gründe angeben, warum ich diese Akkus immer noch in 14 Stunden lade:

  • Die Methode vermeidet sowohl den Memory-Effekt als auch das Überladen.
  • Ich muss sowieso über Nacht warten, bis die Bleiakkus meiner Schiffe wieder geladen sind.
  • Ich glaube einfach (sei es aus Altersgründen oder Starrsinn), dass die Normalladung immer noch die schonendste Art ist, einen Akku zu laden und dass sich so über 1000 Ladezyklen erreichen lassen.

Ich möchte nicht sagen, dass Schnellladung Teufelszeug ist, wer auf dem Flugfeld in einer halben Stunde wieder einen vollen Akku braucht, kommt wohl nicht darum herum. Und bei Hochstromentladungen scheint der Akku mit Schnellladung wohl eine bessere Figur zu machen - während die Selbstentladungsrate wieder für Normalladung spricht.

Schaltungsbeschreibung

Kern der Schaltung ist ein Mikrocontroller vom Typ PIC 16F627, der mit einer Taktfrequenz von 32,768 kHz betrieben wird. Eines seiner Komparator-Module wird zur Ermittlung der Entladeschlussspannung verwendet, und das Abzählen von 14 Stunden ist eine leichte Übung. Die Entladung erfolgt über einen Lastwiderstand mit einem N-Kanal MOSFET als Schalter, geladen wird mit einem von einem LM317 erzeugten Konstantstrom, geschaltet von einem P-Kanal MOSFET. Ein 7805 stellt die Versorgungsspannung für den PIC zur Verfügung. Über zwei Präzisionspotis lässt sich sowohl die Entladeschlussspannung als auch der Ladestrom einstellen.

Das Ladegerät kann mit einem Steckernetzteil (Gleichspannung!) mit Energie versorgt werden, ich verwende ein Labor-Netzgerät. Die Spannung sollte dabei ca. 6 V über der des zu ladenden Akkus liegen.

Bei Betätigung des Start-Tasters beginnt zunächst die Entladung, dies wird durch eine rote LED angezeigt. Erreicht der Akku seine Entladeschlussspannung, so wird auf Laden umgeschaltet, die gelbe LED leuchtet auf. Zum Zeichen, dass der PIC brav die Sekunden zählt, blinkt die grüne LED im Sekundenrhythmus. Nach 14 Stunden schließlich wird der Ladestrom abgeschaltet, die gelbe LED verlöscht und die grüne LED leuchtet dauernd. Eine Erhaltungsladung ist nicht vorgesehen, dass Programm ließe sich aber leicht erweitern, z.B. indem alle 5 Sekunden für eine Sekunde der Ladestrom eingeschaltet wird.

Soll sofort mit dem Ladevorgang begonnen werden, kann man einfach erst den Starttaster betätigen und erst dann den Akku an das Gerät anschließen. Der Entladevorgang wird dann übersprungen.

Tritt während des Ladevorgangs ein Stromausfall aus, so kann dies daran erkannt werden, dass keine der LEDs leuchtet (Grundzustand nach Einschalten). Da unklar ist, in welchem Ladezustand sich der Akku befindet, sollte durch Druck auf den Start-Taster der ganze Vorgang erneut gestartet werden.

Die Werte der Bauteile sind in der vorliegenden Version auf einen Senderakku mit 9,6V/700mAh abgestimmt - zur Anpassung an andere Akkus genügt die Kenntnis des Ohmschen Gesetzes.

Einstellung des Ladestroms

Der LM 317 regelt den Strom so, dass an R1/P2 (siehe Schaltplan im Archiv ncbc.zip) eine Spannung von 1,25 V abfällt. Mit den gewählten Werten (R1=8,2 Ohm, P2=50 Ohm) lässt sich der Ladestrom daher zwischen 22 mA und 150 mA einstellen (entweder Amperemeter dazwischenklemmen und entsprechend einstellen, oder den Widerstandswert für den gewünschten Ladestrom ausrechnen und einen entsprechenden Festwiderstand einlöten). Damit lassen sich Akkus mit Kapazitäten zwischen 220 mAh und 1,5 Ah laden. Höhere Ladeströme sind natürlich auch realisierbar (der LM 317 kann maximal 1,5 A liefern), je nach Höhe der Versorgungsspannung ist dann aber zu prüfen, ob der Kühlkörper noch ausreicht.

Einstellung der Entladeschlussspannung

Der PIC wird so initialisiert, dass der nichtinvertierende Eingang des Komparators mit der internen Referenzspannungsquelle verbunden ist. Diese ist auf 1,875 V eingestellt, was dann auch der kleinstmöglichen Entladeschlussspannung entspricht (2 Zellen).

Die Akkuspannung wird über den Spannungsteiler R10/P1 (100k/50k) auf den anderen Eingang des Komparators gelegt, damit kann max. 1/3 der Akkuspannung anliegen (sollte 5 V nie übersteigen). Auch hier kann man natürlich Rechnen und einen entsprechenden Festwiderstand verwenden.

Oder folgende Überlegung: die Entladeschlussspannung muss durch den Spannungsteiler auf 1,875 V herabgesetzt werden. Die richtige Einstellung des Potis ergibt sich durch Vergleich der aktuellen Akkuspannung mit der aktuell an Pin 17 (Port A0) gemessenen Spannung durch einen "Dreisprung": Poti solange drehen, bis an Pin 17 eine Spannung von ( (aktuelle Akkuspannung * 1,875 V ) / Entladeschlussspannung ) anliegt. Beispiel mit 8 Zellen: Entladeschlussspannung = 8 * 0,85 V = 6,8 V, aktuell gemessene Akkuspannung = 9,8 V, also Poti solange drehen, bis an Pin 17 eine Spannung von 2,70 V anliegt, dann sollte es passen.

Für einen NiCd-Akku kann als Entladeschlussspannung 0,85 V bis 1,0 V/Zelle gewählt werden. Bei NiMH-Typen sollte dieser Wert 1,0 V/Zelle nicht unterschreiten.

Beschleunigte Normalladung

Wird der Akku vor der Ladung bis auf die Entladeschlussspannung entladen und wird der Ladevorgang zeitlich überwacht und begrenzt, ist auch eine beschleunigte Normalladung mit 0,2 C/h möglich (Quelle: Panasonic Datenblatt). Die Ladezeit verkürzt sich dadurch von 14 h auf 5 h. Dazu muss der Ladestrom verdoppelt werden (Einstellung siehe oben) und das Programm für den PIC braucht eine kleine Änderung. Die entsprechende Firmware ist im Archiv ncbc.zip unter dem Namen ncbc-5h.hex enthalten.


Zuletzt aktualisiert am Freitag, den 13. Januar 2012 um 17:21 Uhr