Stromversorgung | |
Zusammenstellung und HTML-Bearbeitung: | Horst Lehner |
Generell gilt: Bei Spannungs- und Stromquellen, die aus einem Netztrafo gespeist werden, müssen die VDE-Bestimmungen berücksichtigt werden. Außerdem muß ein genügend großer Siebelko (1000..4700µF pro Ampere) hinter den Gleichrichter geschaltet werden, um ein Durchschlagen des Netzbrumms durch den Regler zu vermeiden.
2.1 Grundlagen 2.1.1 Der Transformator o----+ +-----o | | +---+ +---+ |///| |///| 220V |///| |///| |///| |///| +---+ +---+ | | o----+ +-----o U ^ | | .. .. | . . . . | . . . . | . . . . |. . . . |--------------------------------------------------------------> t | . . . | . . . | . . . | . . . | .. . | Nun gibt es verschiedene Möglichkeiten, die transformierte Wechselspannung gleichzurichten. Die wichtigsten (bzw. die die ich finden konnte) stehen unten. 2.1.2 Einwegschaltung: |\ | o----+ +-------| >|---o-------o-----o | | |/ | | | +---+ +---+ | +---+ |///| |///| ----- | R | 220V |///| |///| Ueff ----- | L | Ugl |///| |///| | CL | | +---+ +---+ | +---+ | | | | o----+ +--------------o-------o-----o U ^ | | .. .. | . . . . | . . . . | . . . . |. . . . |--------------------------------------------------------------> t | | | | | | 2.1.3 Zweiwegschaltung: |\ | o----+ +-----| >|---o------o-------o-------o | | |/ | | | | +---+ +---+ | | +-+ |///| |///| | ----- |R| |///| |///| Ueff | ----- |L| |///| |///| | | CL +-+ |///| |///| | | | 220V |///| |///|----------|------o-------o-------o |///| |///| | |///| |///| | |///| |///| Ueff | |///| |///| | +---+ +---+ | | | |\ | | o----+ +-----| >|---+ |/ | U ^ | | .. .. .. | . . . . . . | . . . . . . | . . . . . . |. . . . . . |--------------------------------------------------------------> t | | | | | | 2.1.4 Brückenschaltung: Da die Schaltung schräg, wie man sie normalerweise kennt, schwierig zu zeichnen ist, mach ich sie senkrecht und waagrecht. |\ | o----+ +--------------o--| >|-----o----o------o--------o | | | |/ | | | | +---+ +---+ | | | | |///| |///| | | /| | | | 220V |///| |///| Ueff +--|< |--+ | | +---+ |///| |///| | \| | | ----- | R | +---+ +---+ | | ----- | L | | | |\ | | | CL | | | o----+ +--------------o--| >|--|--+ | +---+ | |/ | | | | | | | | | | /| | | | +--|< |--o-------o------o--------o U | \| ^ | | .. .. .. | . . . . . . | . . . . . . | . . . . . . |. . . . . . |--------------------------------------------------------------> t | | | | | | 2.1.5 Spannungsverdopplerschaltungen Einpuls-Verdopplerschaltung D1 (DIN 41751) (Villard- oder Kaskadenschaltung) | | |\ | o----+ +-----| |-----o----| >|------o------o | | | | | |/ | | +---+ +---+ | | |///| |///| | | |///| |///| | | |///| |///| Ueff ----- ----- Ua |///| |///| /^\ ----- |///| |///| ----- | |///| |///| | | +---+ +---+ | | | | | | o----+ +-------------o--------------o------o Ua= 2.82*Ueff - 1,4V Diese Schaltung kann zur Erzeugung höherer Spannungen einfach erweitert werden: | | | | o-----| |-----o-----------o------ ... --| |-----o-----------+ | | | | | | | | | | | | ----- ----- ----- ----- Ueff /^\ \./ /^\ \./ ----- ----- ----- ----- | | | | | | | | | | | | o-----o-------o----| |----o------ ... ----------o----| |----o | | | | | | | | | | | | o 0V o Ua Ua= n * 2.82 * Ueff - n * 1,4V wobei 'n' die Anzahl der verwendeten Stufen ist Dioden und Kondensatoren müssen mindestens 2.82*Ueff Spannungsfestigkeit haben Zweipulsverdopplerschaltung D2 (DIN 41751) (Delon- oder Greinacher-Schaltung) o----+ +--------+ +--------------o------o | | | | | +---+ +---+ | ----- ----- |///| |///| | /^\ ----- |///| |///| | ----- | |///| |///| Ueff | | | Ua |///| |///| | | | |///| |///| +----|--------------o |///| |///| | | +---+ +---+ | | | | | | o----+ +-------------o | | | | | ----- ----- /^\ ----- ----- | | | +--------------o------o Ua= 2.82*Ueff - 1,4V nicht kaskadierbar 2.1.6 Zusammenfassung der Eigenschaften Hier nun eine -- mit gewisser Vorsicht zu genießende - Tabelle mit einigen Parametern der verschiedenen Varianten: | Einweg | Zweiweg | Brücke | Spannungs- | | | | verdoppler ----------------------------+----------+----------+-----------+------------ Frequenz der Welligkeit | 50 Hz | 100 Hz | 100 Hz | 100 Hz | | | | Zeitkonstante tau = CL * RL | | | | (Richtwert) | 100 ms | 50 ms | 50 ms | 50ms | | | | Welligkeit (bei o. a. tau) | 5 % | 5 % | 5 % | 5% | | | | Schaltungskonstante k | | | | (Halbleiter) | 4,8 ms | 1,8 ms | 1,8 ms | 1,8 ms | | | | Verhältnis Ueff / Ugl | | | | Wechsel <-> Gleichspannung | 0,85 | 0,79 | 0,79 | versch. | | | | Verhältnis Ieff / Igl | | | | Wechsel <-> Gleichstrom | 2,1 | 1,1 | 1,57 | versch. | | | | Vorteil | geringer | für gr. | wie Zwei- | | Aufwand | Leistung | weg | | | geeignet | Mittenan- | | | | zapfung | | | | entfällt | | | | | Nachteil | nur kl. | Mitten- | | nur kl. | Leistung | zapfung | | Leistung Gleichrichtung mit kapazitiver Last: IL * tau Ladekondensator: CL = ---------- Ugl k * IL Welligkeitspannung: Uw = -------- CL Beispiel: Am Eingang einer Brückenschaltung liegen Ueff = 10V. Der Ausgangsgleichstrom ist 2A. Aus der Tabelle entnimmt man tau = 50ms und k = 1,8ms. Ueff 10V Ugl = ------ = ------ = 12,66V 0,79 0,79 IL * tau 2A * 50 * 10^-3s CL = ---------- = ------------------ = 7898 µF (gewählt 10000µF) Ugl 12,66V k * IL 1,8 * 10^-3s * 2A Uw = -------- = ------------------- = 0,36V CL 10^-2F _______________________________________________________________________________ 2.2 Spannungsquellen mit Linearreglern Der Vorteil dieser Schaltungen liegt in der unübertroffenen Einfachheit und in der störarmen Ausgangsspannung. Allerdings ist der Wirkungsgrad -- in Ab- hängigkeit von der Eingangsspannung -- mäßig bis saumäßig. 2.2.1 Spannungsquellen mit 78xx Die folgende Schaltung ist die wohl bekannteste Spannungsquelle. Sie benutzt einen integrierten Spannungsregler 78xx-Serie: +------+ Verfügbare Werte: In| |Out O-----o-----| 78xx |----o-----O 5V, 6V, 8V, 10V, 12V, | | | | 15V, 18V, 24V | +------+ | Eingang === |Gnd === Ausgang Die Ausgangsspannung ist | C | C | in den letzten beiden Zif- | | | fern der Typenbezeichnung O-----o--------o--------o-----O kodiert, z.B. 7805 - 5V Die Kondensatoren C dienen als Schwingbremse. 470nF-Keramikkondensatoren, möglichst dicht an den IC-Beinchen angeschlossen, sind hierfür geeignet. Die Eingangsspannung kann ungeregelt, sollte aber mit ca 1000..4700µF ge- glättet sein. Sie muß mindestens 3V über der Ausgangsspannung liegen. Die Obergrenze ergibt sich meist aus der abführbaren Verlustleistung, diese wiederum hängt vom verwendeten Kühlkörper ab. Mehr als 24V sind nur für Typen über 12V Ausgangsspannung zulässig. Am Ausgang darf ein zusätzlicher Elko zur besseren Lastausregelung und Brumm-/Störarmut angebracht werden. Dieser sollte jedoch deutlich kleiner gewählt werden als der im Eingang, damit nach dem Ausschalten keinesfalls ein Strom rückwärts durch den Regler fließen kann. Der Ausgangsstrom beträgt max. 1A. Es gibt auch Typen mit niedrigeren oder höheren Werten. Auch gibt es sogenannte LowDrop-Typen, die mit einer geringeren Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung noch arbeiten können. Sie sind überall dort sinnvoll einzusetzen, wo es auf eine ge- ringe Verlustleistung ankommt oder eine höhere Eingangsspannung nicht zur Verfügung steht. Es gibt auch Regler für negative Ausgangsspannungen, die 79xx-Serie. Die Beschaltung ist die gleiche, allerdings stimmt die Pinbelegung nicht überein. Wer höhere Ströme (bis 1.5A) und/oder eine einstellbare Ausgangsspannung (1.25..ca.30 V) braucht, sollte sich den LM317 mal anschauen... 2.2.2 Pinbelegung gängiger integrierter Linearregler Ansicht von unten: Ansicht von vorne --- +---+ / O \ C | O | 7XLXX / \ (Case) +---+ | o o | | | +-+ | A B | | | | | \ / +---+ +-+ \ O / ||| ||| --- ||| ||| A C B A C B IN OUT ADJUST GND LM 309K A B - C LM 317K B Case A LM 320K Case B - A LM 323K A B - C LM 333K Case B A LM 337K Case B A LM 338K B Case A LM 340K A B - C LM 345K Case B - C LM 350K B Case A LM 78xxX A B - C LM 79xxX A C - B 2.3 Symmetrieren einer Spannungsquelle (künstliche Masse) Manchmal tritt das Problem auf, daß aus einer Versorgungungsspannung eine symmetrische Versorgungsspannung z.B. für OpAmps gemacht werden soll. Die folgende Schaltung erzeugt den Massepunkt in der Mitte der Versorgungs- spannung: + O----------o---------------o-------------O + | | | +------------------+ | | | | | | | | | | |\ | | | | | \ | | +-+ +----| - \ | R1 | | | \ | +-+ | >----o----O Masse | | / o----------| + / | | / | +-+ |/ | R2 = R1 | | | +-+ | | | - O----------o---------------o-------------O - Je nach gewünschtem Ausgangsstrom muß evtl. ein Leistungs-OpAmp oder eine zusätzliche Gegentaktendstufe (wer schickt mir eine erprobte Schaltung?) verwendet werden. Siehe dazu auch Tietze-Schenk. 2.4 Spannungsquellen mit Schaltregler Schaltregeler mit LT107X lassen sich ganz einfach mit der Software "SwitcherCad" (für DOS) dimensionieren: Gewünschte Daten rein, Schaltplan raus. Ähnlich problemlos sind auch die "Simple Switcher (TM)" (LM257X) Schaltregler von National Semiconductor zu handhaben. Die Schaltungsauslegung wird auch bei diesen durch eine sehr gute, frei verfügbare Designsoftware (lauffähig unter MS-DOS >=2.0 und RAM >=512kBytes) sehr einfach. Schließlich seien noch die folgenden Beispiele aus dem Programm der Firma MAXIM genannt: 5,5V..11V --> 5V: MAXIM MAX 639. Die Schaltung kommt mit einer üblichen 220uH Spule, einer Zdiode, und zwei Kondensatoren aus, der Wirkungsgrad liegt ca. 40% über dem eines üblichen Längsreglers, sie liefert ca. 75mA. 1V..5V --> 5V: MAXIM MAX 777 Aufwärtswandler mit bis zu 225 mA Last, der Ruhestrom liegt bei lediglich 220µA (!), der Strombedarf im Shutdown bei 30µA. 1V..6.2V --> 5V: MAX779 Mit 22µH-Spule als einziger Außenbeschaltung feste 5V, mit Widerstandspaar einstellbar. Darüberhinaus gibts im Program von MAXIM auch Alleskönner, die aus einer fast beliebigen Eingangsspannung die Versorgungsspannung generieren (auch Mehrfachspannungen), den NiCD oder NiMH Akku laden und überwachen, Shutdown, Reset, Watchdog, etc. übernehmen, und alles im 8er oder 16er DIP. Bezugsadresse für Datenbücher und Muster: siehe unten bei Spezial- Electronic oder MAXIM. Diese und weitere Firmen, die Schaltregler-ICs mit entsprechenden Referenzdesigns von Schaltreglern anbieten, sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt (aus EDN 5/96, daher englisch): Vendor | ICs supported | Reference design order no. & descr. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Cherry Semicon | CS-5101 secondary- | 18..36V in, 5V/3A out switching | side post regulator | supply, includes layout, schematic | | bill of materials, design equ'ns. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Linear Technology | LT1304CS8-5 dc/dc | DC088 no-design switcher: two cell | converter | in to 5V/200mA out includes layout, | | schematic, bill of materials, | | design equations. | | | LT1372/LT1377 dc/dc | DC053A 5V to 12V step-up converter: | converters | includes layout, schematic, bill | | of materials, design equations. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Maxim | MAX783, 786, 797 | Wide variety of dc input and single | series of dc/dc | or multiple output combinations; | converters | complete documentation includes | | layout, schematic, bill of mat's. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Micrel | MIC4574..76 series | App. Note 15: 46 fully built | of dc/dc converters | circuits for a variety of I/O | | combinations, wit documentation, | | spreadsheet (on disk), schematic, | | layout, bill of materials. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Micro Linear | ML4890 dc/dc | ML8490EVAL boost regulator 3V/60mA | converter | in to 5V/50mA out, users guide, | | board design, bill of materials. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Motorola | MC34063A dc/dc | 8..16V in, 28V/175mA out with | converter | detailed App. Note. | | | MC34163, 64167 | Primary functions for various | switching | converters; includes layout, | regulators | schematic, bill of materials, | | design equations. ------------------+---------------------+-------------------------------------- National Semicon | LM2574..77, -87, | Simple Switcher (tm) buck and boost | -88, -94, -97 | designs for 3.3V in 12V/0.5..5A out | series of dc/dc | param. driven component selection | converters | software, detailed design document- | | ation, bill of materials. ------------------+---------------------+-------------------------------------- Siliconix | Si9145 switch-mode | Schematic, layout, bill of mat's, | controller | descr. for Pentium power subsys. ------------------+---------------------+-------------------------------------- TelCom Semicon | TC660, 902, 1044S, | TC-EV01 charge pump evaluation kit, | 7660, 7662 dc/dc | single board allows evaluation of | converters | multiple parts and configurations. 2.5 Stromquellen ... kann man beispielsweise zum zeitgesteuerten Laden von NiCd-Akkus gebrauchen. Die folgende Schaltung macht aus einem simplen 7805-Spannungsregler eine Stromquelle: +------+ In| |Out +---+ O---o-----| 7805 |-----| R |---o-----O | | | +---+ | | +------+ | === |Ref | Eingang | C | | Ausgang | | | +--------o-----------------+ O---------------------------------------O Der Kondensator C dient - wie schon bei Spannungsquellen - als Schwingbremse. Ein induktionsarmer 470nF-Keramikkondensator, möglichst dicht an den IC-Beinchen angeschlossen, ist hierfür geeignet. Die Eingangsspannung darf ungeregelt sein und muß um 8,5V über der maximalen Ausgangsspannung liegen. Am Ausgang wird der Strom I geliefert: 5 V I = --- + I R Ref Da IRef nicht genau bekannt ist (ca 5mA), muß man evtl. etwas probieren, um den richtigen Wert für R zu finden. Als Startwert kann man R wählen: 5 V R = --- I und dann experimentell iterieren, falls der gewünschte Strom nicht er- reicht wird. Dasselbe Prinzip sollte auch mit einem LM317-Spannungsregler zum Ziel führen. Der Vorteil wäre dabei der geringere Spannungsabfall, der definierte IRef und die geringere Verlustleistung am Widerstand R. Und dann gibt es noch DIE INTEGRIERTE KONSTANTSTROMQUELLE: LM234 (auch LM134 LM334) (3-Terminal adjustable Current-Sources),ist von National Semiconductors, billig und gut zu beschaffen. 2.6 Batterien 2.6.1 Eigenschaften und Anwendungen Die heute fast aussschließlich üblichen Alkali-Mangan-Batterien haben um den Faktor 2..5 höhere Kapazitäten als Akkus in der gleichen Baugröße. Sie haben auch eine geringere Selbsentladung als die meisten Akkutypen. Sinnvolle Anwendungen ergeben sich also überall dort, wo ein sehr geringer Stromverbrauch über lange Zeit erfolgt. Fernbedienungen sind dafür ein Paradebeispiel. Dort halten Batterien meist über ein Jahr. In dieser Zeit hätte man Akkus schon aufgrund ihrer Selbstentladung mindestens ein- oder zweimal wieder aufladen müssen. 2.6.2 Ladegeräte für mormale Batterien (!) Die Ladetechnik für Alkali-Mangan-Batterien (normale und erneuerbare) ist einfach: die Ladespannung muß nur auf einen Wert von ca. 1.65V begrenzt werden, bei deren Erreichen nimmt die Batterie automatisch nur noch solange Strom auf, bis sie voll geladen ist. Eine Volladung kann allerdings recht lange dauern (1 Tag und länger). Mit Impulsladung läßt sich Zeit sparen. Normalen Alkalibatterien kann man mit Wiederaufladung die Lebensdauer typisch 3 bis 5 mal (auch mehr, große Unterschiede sind je nach Marke und Anwendung möglich, ausprobieren lohnt sich), wiederaufladbaren 10 bis 20 mal (und mehr) verlängern. Es ist günstig, die Batterien möglichst häufig nachzuladen und gar nie ganz zu entladen (dann vor allem gilt 'und mehr'). Das Verfahren ist übrigens gar nicht neu, sondern wurde vor Jahrzehnten schon in die Kofferradios einer bestimmeten Marke eingebaut, allerdings später wieder aufgegeben. Da die Ladeschaltung extrem primitiv und billig ist, wurde es bestimmt nicht aus Kostengründen aufgegeben. Die Ladegeräte, die im Handel angeboten werden, sind daher überwiegend als zu teuer zu betrachten. Eine supereinfache Schaltung zum Selberbauen: Man braucht: 1 Klingeltrafo 1 Diode 2 Widerstände D1 |\ | +------+ O---------*-----| >|-----*---------| R2 |-------------O | |/ | | +------+ B T | | A R | +------+ | T A +---| R1 |---+ T F +------+ E O R I E O-------------------------------------------------------O Diode= SY 200 R1 = 10 * R2 R2 = U-UB / 0.01*Ik Ik=Kurzschlußstrom der Batterie U = 1.5 * UB Mit R2 soll der Ladestrom eingestellt werden, er soll 1/10 des Kurzschlußstromes sein. R2 kann bei einem Trafo von 8 Volt und einer R6-Batterie im Bereich 68..150 Ohm liegen. Bei einer leeren Batterie sollte er zuerst noch größer sein z.B. 200..300 Ohm. Die Ladung kann von 5-12 Stunden dauern, je nach Zustand der Batterie. Kommerzielle Angebote: + Im Völkner-Katalog gibt es ein fertiges Ladegerät für normale Batterien und Accus für 99,-DM. + MBO (MBO international GmbH, Thomas-Dehler-Straße 18, D-81737 München, Tel:(089)63814-01 Fax:(089)6704271) bietet ebenfalls ein solches Ladegerät an (Besprechung in Elrad 4/94). _______________________________________________________________________________ 2.7 Akkus -- Technologien und Eigenschaften 2.7.1 Bleiakkus Nennspannung : 2 V pro Zelle Entladeschlußspannung: 2 V pro Zelle Energieinhalt : 30 Wh/kg Energiedichte: 95 Wh/l Ladung : Konstantspannung 2,3 V pro Zelle Erhaltungsladung: Konstantspannung 2,23 V pro Zelle Schnelladung : Nur möglich durch Stromregelung in Abh. v. d. Akkutemperatur Bleiakkus gibt es in verschiedenen Bauformen, von kleinen, lageunabhängigen Einzelzellen bis hin zur 24V-LKW-Batterie. Bei Einhaltung der oben genannten Ladespannungen ist eine Üuuml;berladung prinzipiell ausgeschlossen. Eine Ladezeit oder ein Ladestrom lassen sich nicht generell angeben. Beide hängen stark vom Akkutyp, vom Alter und Zustand des Akkus ab. Tiefentladung (unter 1,8 V pro Zelle) vertragen Bleiakkus besonders schlecht. Zu beachten ist, daß viele Bleiakkus einen flüssigen Elektrolyt haben, dessen Stand regelmäßig kontrol- liert und ggf. mit destilliertem Wasser nachgefüllt werden muß. Die Aufschrift "wartungsfrei nach DIN" ändert an dieser Tatasache nicht unbedingt etwas. Werden Bleiakkus mit flüssigem Elektrolyt stationär betrieben, müssen sie regelmäßig bis zum Gasungspunkt geladen werden, um den Elektrolyt zu durch- mischen. Nur Blei-Gel-Akkus (Markenname bei Varta z.B. "dryfit") mit einge- dicktem Elektrolyt sind wirklich wartungsfrei. 2.7.2 NiCd-Akkus Nennspannung : 1.2 V pro Zelle Entladeschlußspannung: 1.0 V pro Zelle Energieinhalt : bis 40 Wh/kg Energiedichte: 95 Wh/l Ladung : 1/10 der Nennkapazität Konstantstrom 14 h lang Erhaltungsladung: 1/50 .. 1/20 der Nennkapazität Konstantstrom Schnelladung : Nur geeignete Typen, verschiedene Verfahren gebräuchlich Die Normalladung erfolgt innerhalb von 14 Stunden mit 1/10 der Nennkapazität (C/10). Eine Üuuml;berladung bei diesem Strom schadet dem Akku normalerweise nicht sehr. Sogenannte Sinterzellen oder andere schnelladefähige Typen können auch -- unter Beachtung der Herstellervorschriften -- schneller geladen werden. Zeiträume von 1/2 bis 4 Stunden sind dafür üblich. Eine Üuuml;berladung ist dabei zu vermeiden, da sie schon nach kurzer Zeit zur Üuuml;berhitzung und Zerstörung der Akkus führt. Zwei Möglichkeiten sind dafür üblich: Eine einfache Zeit- steuerung mit einer mechanischen oder elektronischen Uhr funktioniert natur- gemäß nur bei vollständig entladenen Akkus. Unabhängig vom Ladezustand der Akkus ist dagegen die sogenannte Delta-U-Methode, die einen Spannungsabfall von ca. 10mV bei der Volladung zum Beenden des Ladevorganges auswertet. Ein Ladegerät nach diesem Prinzip kann am einfachsten und sichersten mit inte- grierten Schaltungen gebaut werden, z. B. Maxim MAX712 oder MAX713. Zu den entscheidenden Nachteilen von NiCd-Akkus gehört der sogenannte Memory- effekt, den man vielleicht besser als Spannungsreduzierung bezeichnen sollte. Dabei ist die Zellenspannung über die Entladekurve überall oder stellenweise geringer, als das bei einer Zelle in gutem Zustand der Fall wäre. Manche Systeme verhalten sich dann so, als wäre der Akku bereits leer, obwohl das nicht der Fall ist. Dies kann explizit durch einen Spannungsdetektor oder implizit durch eine bestimmte untere Grenze für die Betriebsspannung so sein. Aus diesem Verhalten wird vielfach auf einen Kapazitätsverlust des Akkus geschlossen, der in dieser Form gar nicht existiert. Der Effekt tritt auf, wenn solche Akkus nachgeladen werden, bevor sie voll- ständig entladen wurden, wenn sie überladen oder längere Zeit im an sich unschädlichen Ladestrombereich unterhalb von C/10 geladen werden. Bei höheren Lager-, Lade und Entladetemperaturen verstärkt er sich. Alle diese Betriebs- bedingungen tragen dazu bei, daß sich an der Cadmium-Kathode großkristallines Cadmium abgelagert wird, das sich bei der Entladung nicht so leicht wieder in Cd(OH)2 verwandeln läßt. Dadurch entsteht ein größerer Innenwiderstand der Zelle sowie eine geringere Zellenspannung. Vermeiden oder rückgängig machen läßt sich die Spannungsreduzierung nur durch regelmäßiges vollständiges Entladen (nicht Tiefentladen oder gar Umpolen!) vor dem Wiederaufladen. Die meisten wirklich guten NiCd-Ladegeräte stellen dies sicher, indem sie den Akku vor dem Laden erstmal entladen, falls nötig. Ein- fachere Ladegeräte liefern nur den zur Ladung nötigen Konstantstrom. 2.7.3 NiMH-Akkus Nennspannung : 1.2 V pro Zelle Entladeschlußspannung: 1.0 V pro Zelle Energieinhalt : 55 Wh/kg Energiedichte: 160 Wh/l Ladung : Konstantstrom 1/10 der Nennkapazität 14 h lang Erhaltungsladung: Konstantstrom 1/50 .. 1/20 der Nennkapazität Schnelladung : Nur geeignete Typen, verschiedene Verfahren gebräuchlich Die Nickel-Mangan-Hydrid-Akkus haben so gut wie keine Spannungsreduzierung (Memoryeffekt) und sind daher den NiCd-Akkus in bestimmten Anwendungen über- legen. Leider haben sie eine weitaus größere Selbstentladung als NiCd-Akkus. Auch vertragen sie selbst bei Normalladung keine Üuuml;berladung. Deshalb sollten sie nur mit speziell dafür vorgesehenen Ladegeräten geladen werden, die das sicher vermeiden. 2.7.4 Accucell Nennspannung : 1.5 V pro Zelle Entladeschlußspannung: 0,96 V pro Zelle Energieinhalt : 55 Wh/kg Energiedichte: 160 Wh/l Ladung : Konstantspannung von 1.75 V pro Zelle Erhaltungsladung: Konstantspannung von 1.55 V pro Zelle Schnelladung : Geräte in Entwicklung, noch kein Verfahren zugänglich Ihrem Aufbau nach sind diese Akkus bessere Alkali-Mangan-Batterien, die für das Wiederaufladen nach dem oben beschriebenen Verfahren optimiert wurden. Ihre geringe Selbstentladung und die zu normalen Batterien kompatible Zellen- spannung sind die großen Vorteile. Nachteilig ist dagegen die im Vergleich zu NiCd-Akkus und NiMMH-Akkus geringe Zahl von 300..500 Lade-/Entladezyklen. Ob und in welchen Fällen sie dennoch die wirtschaftlichste Lösung darstellen, müssen wohl erst noch weitere Erfahrungen zeigen. Falls man nicht ohnehin schon eins der wenigen Ladegeräte, die neben Accucell auch NiCd- oder NiMH-Akkus laden können (z. B. von ELV), sein eigen nennt, wird ein spezielles Ladegerät fällig.
In ELRAD 12/96 findet sich ein Grundlagenartikel über Li-Ion-Akkus und ein Praxistest derzeit erhältlicher Ladecontroller-ICs. Wer bereitet mir was entsprechendes als Ergänzung für die FAQ auf?
2.8 Ladegeräte für NiCd- und NiMH-Akkus Zeitgesteuerte Ladung Ein völlig entladener Akku kann durch die Zuführung einer Ladungsmenge, die dem 1,4- fachen der Nennkapazität entspricht, wieder vollgeladen werden. Man erreicht dies am einfachsten und schonendsten, indem man einen Ladestrom von einem Zehntel der Nenn- kapazität 14 Stunden lang laden läßt. Höhere Ströme bei entsprechend verkürzter Zeit sind bei den meisten Akkus in Grenzen möglich. Temperaturgesteuerte Ladung Bei Überladung beginnt sich jeder Akku zu erwärmen (je hoeher der Ladestrom, desto stärker). Bei der temperaturgesteuerten Ladung beendet dieser Temperatur- anstieg die Ladung. Nachteilig (nicht sehr) ist, daß zwangsweise bei jeder Ladung eine der Lebensdauer abträgliche Erwärmung stattfindet. Spannungsgesteuerte Ladung (Delta-U- oder Delta-Peak-Verfahren) Die Akkuspannung beginnt vor der Volladung stärker anzusteigen, erreicht etwa bei Volladung ein Maximum und sinkt danach wieder leicht ab. Dieser typische Verlauf kann detektiert und die Ladung danach beendet werden. Der notwendige Aufwand ist bedeutend größer als bei allen anderen vorausgegangenen Methoden, das Resultat jedoch sehr gut. Am häufigsten wird nur der leichte Rückgang der Spannung detektiert, man bezeichnet dies als 'minus delta U' Methode (-dU). Kombiniert gesteuerte Ladung Alle genannten Lademethoden können miteinander kombiniert werden. Dadurch wird eine maximale Sicherheit gegenüber einer unzulässigen Überladung erreicht. Dies ist umso wichtiger je rascher die Ladung erfolgt (Schnelladung in wenigen Stunden, Ultra-Schnelladung in weniger als einer Stunde). Sehr gute und professionelle Ladegeräte verwenden immer eine kombiniert gesteuerte Ladung. Die folgenden beiden Zusatzfunktionen können mit allen beschriebenen Lademethoden kombiniert werden. Vorentladung Vor der Ladung wird der Akku voll entladen. Dies ist bei zeitgesteuerter Ladung (insbesondere mithöherehn Strömen) notwendig, um auch teilentladene Akkus ohne eine schädliche Überladung laden zu können. Die bei NiCd und NiMH feststellbare Spannungsreduzierung bei wiederholter nur Teilentladung wird dadurch rückgängig gemacht. Nachteilig ist bei noch stark geladenen Akkus der Zeit- und Energieverlust und (weniger) eine verkürzte Nutz-Lebensdauer. Ein Selbstbaugerät nur zur Vorentladung ist unten gezeigt. Impulsladung (Reflexladeverfahren) Bei diesem patentierten Verfahren werden an Stelle von Gleichstrom Stromimpulse zur Ladung verwendet. Nach jedem Ladeimpuls wird ein kurzer Entladeimpuls (ca. 2,5facher Ladestrom) eingefügt (Glur Ladeverfahren). Dadurch wird die Strukturierung des Elektrodenmaterials günstig beeinflußt, die Lebensdauer verlängert und die Spannungsreduzierung (Memoryeffekt) unterdrückt. Anwendungsbereiche unterschiedlicher Ladeverfahren und Ladecontroller-ICs Mit der Delta-U-Methode arbeiten die beiden Maxim-ICs MAX712 und 713. Wer Schnelladung von Akkus für Niedrigstromentladung braucht oder haben will, der kann mit CCS9310 Ladern gut zurechtkommen. Wem 12h-Ladung reicht, nehme einen U2400B-Lader, da kann er dranhängen was er will. Für Hochstromentladung (Elektroflug, Rennboote und -wagen) sollte man einen klassischen Delta-peak- oder auch ICS170x Lader nehmen, die bringen eine bessere Spannungslage. Natür- lich muß Schnellzugzuschlag immer in Form verkürzter Lebensdauer bezahlt werden. In der folgenden Tabelle sind einige Geräte in Bezug auf das oben gesagte klassifiziert; dazu suche ich noch weitere Einträge: Bezugsquelle | Gerät | A | P | Typ | Besonderheiten ===================#===================#===#===#======#===================== Conrad Elektronik | ChargeManager2000 | F | I | NiCd | lädt Zellen einzeln | | | | NiMH | mikroproz.gesteuert Charge Manager 1.Generation: Verheizt ab und zu Akkus im Cycle-Betrieb Charge Manager 2.Generation: Hat Probleme mit Varta Mignon 750 mAh Charge Manager 3.Generation: neues Chip-Design, keine Probleme bekannt Empfehlung bei Problemen: Das Gerät einschicken und auf Kulanz hoffen. Hat bei einigen Mausern schon die Zusendung eines neuen Geräts der aktuellen Generation bewirkt. -------------------+-------------------+---+---+------+--------------------- Conrad Elektronik | Super-Lader VC412 | F | U | NiCd | Nur Mignon 500..700 Völkner Elektronik | | | | | mAh, Standard- und | | | | | Schnelladen, 4 ge- | | | | | trennte Ladeschächte -------------------+-------------------+---+---+------+--------------------- Elektor 11/92 | U2400-Univ. lader | A | U | NiCd | -------------------+-------------------+---+---+------+--------------------- Elektor 5/95 | NiCd-Schnellader | A | X | NiCd | mikroproz.gesteuert -------------------+-------------------+---+---+------+--------------------- Elrad 5/95 | NiCd-Schnellader | A | X | NiCd | mikroproz.gesteuert -------------------+-------------------+---+---+------+--------------------- A = Art P = Prinzip --------------------------- ----------- F = Fertiggerät C = CCS9310 B = Bausatz U = U2400B A = Bauanleitung/Schaltplan I = ICS170x X = Andere 2.9 Entladegerät für NiCd-Akkus Zur Vermeidung der Spannungsreduzierung (Memory-Effekt) oder zur Rekonditionierung bereits geschädigter Akkus kann das folgende Entladegerät für eine NiCd-Zelle nützlich sein: +5V -*-----*----------------*-------------------------* | | | | | | +------------|-------------------------|------------*--------* | | | | | | | | | | * +---------------+ +-+ | | | | | Ta /-| | +---+ | | | +-+ | | | | LM358 * +-|> | | +-+ 270R | |15R | | | | +------+ | |= 1|-| +---+ | | +-+ | | - | | | *-------| | |-| | | --- LED | | | | | +-| - | | +---+ | & |-* \ / | + | 100µF| + | |<---| + + |---|---------------| | | --- / ----- ----- | | | | | +---+ | | +---+ B|/ C === ----- - +------+ | +---*--| |---| AKKU| | | 50k | +---+ |\ E | | | Poti | 3,9k \ | | | | BC337 | | | | | | | | | +-+ | | | | 8,2K | | | | | | +-+ | | | | | | | GND -*-----*----------------*--------------------------------------*--------* Als Gatter kann man einfach LS-TTL-IC's nehmen (>=1 ist ein ODER-Gatter; & ist ein UND-Gatter). Der Taster braucht nicht entprellt zu sein; er startet das Entladen. Das Poti stellt man so ein, das am + Eingang des OP LM 358 eine Spannung von 0,9V anliegt. Man kann die Schaltung auch für andere Entladespannungen modifizieren: Höhere Ub und andere Potistellung. Mehrere Zellen in Reihe zu entladen ist aber nicht so gut, wie jede Zelle einzeln zu konditionieren. Man baucht -- je nach Zustand des Akkus -- bis über 20 Zyklen, bis der Akku wieder eine gute Kapazität hat. Man hört mit den Zyklen auf, wenn sich die Kapazität des Akkus von einem zum nächsten Zyklus nicht merklich erhöht. Wer dieses Gerät zu kompliziert findet, kann auch (für die Entladung einer Zelle) eine Siliziumdiode, eine Schottkydiode und einen Widerstand (je nach gewünschtem Entladestrom bemessen) in Reihe schalten. Damit lassen sich Akkus preiswert und einfach (und vor allem ohne Versorgungsspannung) auf etwa 0,9V entladen. Allerdings hört der Entladestrom bei 0,9V nicht völlig auf, so daß die Akkus nicht allzu lange über die Entladezeit hinaus angeschlossen bleiben sollten. 2.10 Photovoltaik Solarzellen wandeln Licht direkt in elektrischen Strom um. Es gibt sog. monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen. Letztere sind am billigsten, haben aber auch den schlechtesten Wirkungsgrad. Eine Zelle gibt ca. 0,5 V Spannung ab, üblicherweise werden daher in Solarpanels mehrere hintereinandergeschaltet. Zumeist kommt man nicht umhin, den erzeugten Strom zwischenzuspeichern. Bleiakkus bieten einen höheren Ladewirkunggrad als NiCad Zellen, und die Vollerkennung ist leichter. Ein einfacher Laderegler ist nichts anderes als ein Spannungsregler auf 2,35 V/Zelle eingestellt. Für Pefektioinsten oder in Fällen, wo der Akku großen Temperaturschwankungen usesetzt ist, kann noch eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Ladeschluß- spannung sinnvoll sein. Falls der Regler dies nicht von sich aus gewähr- leistet, muß eine (idealerweise Schottky-) Diode als Rückstromsicherung (bei Dunkelheit) eingebaut werden. Ist die Akkuspannung geringer als die Ladeschlußspannug, fließt der volle Strom des Panels. Erreicht die Akku- spannung den obigen Grenzwert, sinkt der Strom immer mehr bis auf einem Minimalwert bei vollem Akku ab. Bessere Regler habe noch eine Unterspan- nungserkennung zum Lastabwurf bei entladenen Akku, idealerweise abhängig vom gerade fließenden Laststrom. Garnieren kann man das noch mit einer Spannungs-/Stromanzeige nach Geschmack. Sog. Maximum Power Tracker (MPT) sind Schaltregler, die die Zellenspannung so transformieren, daß jeder Zeit der maximale Energiebetrag herausgeholt wird. Diese sind aufwendiger und lohnen zumeist erst ab 200 Watt Panel-Lei- stung, weil 1. Der Schaltregler natürlich Verluste verursacht 2. Die Zellenspannung bei Erwärmung zurückgeht. Dies bedeutet, daß bei der übliche Zellenzahl der 12V Panels im Hochsommer, im Süden (Camping, Segelyacht) die Spannung so weit zurückgeht, das man ohne- hin fast im Punkt maximaler Energieabgabe liegt. Lediglich im Winter bringt ein MPT dann bessere Energieausbeute. Die neueren Reglern von MAXIM wandeln z.B. jede auch dynamisch schwankende Spannung zwischen 3 und 6 Volt auf stabile 12V. Weiterführende Literatur: - Praxis mit Solarzellen, U. Muntwyler, RPB Taschenbuch, Franzisverlag. - Stromversorgung mit Solarzellen, Köthe, Franzisverlag - tolles Buch, leider sehr teuer. Tip: Auf Messen (Hobbytronik) häufig billig zu er- stehen, evtl. als ältere Auflage, lohnt aber. - Strom aus der Sonne, B. Krieg, Elektorverlag - gute Einführung, auch Selbstbauschaltungen. - Elektor Sonderheft Umwelttechnik (1), alles mögliche drin, auch eine Selbstbauschaltung (Parallelregler) und ein Ah Zähler.
Schmelzsicherungen gibt es in den verschiedensten Bauformen und -größen, angefangen von SMD-Sicherungen zum Einlöten in die Schaltung bis hin zu den Panzersicherungen am Übergabepunkt des Elektrizitätswerks. Nach dem Auslösen müssen sie ausgetauscht werden. Der Zweck ist immer, im Fall eines Defekts Folgeschäden am abgesicherten Gerät oder in der Umgebung des Geräts zu vermeiden. Daher darf man defekte Schmelzsicherungen unter keinen Umständen durch Typen mit höherem Nennstrom oder langsamerer Auslösecharakteristik ersetzen oder gar überbrücken.
Je nach der Art des notwendigen Schutzes verwendet man Sicherungen mit unterschiedlichem Nennstrom und unterschiedlicher Auslösecharakteristik. Soll beispielsweise ein Halbleiter vor Zerstörung durch Stromüberlastung geschützt werden, so muß dazu eine Sicherung mit flinker Auslösecharakteristik eingesetzt werden. Die Wärmekapazität eine solchen Halbleiters ist recht gering, daher erwärmt er sich im Kurzschlußfall sehr schnell. Die Sicherung muß auslösen, bevor der Halbleiter durch Überhitzung zerstört ist. Geht es dagegen um Brandschutz, kann die Auslösecharakteristik langsamer sein. Bei Geräten, die aufgrund von enthaltenen Energiespeichern, die im Einschaltmoment leer sind (Kondensatoren,Spulen, Trafos) einen Einschaltstromstoß haben, muß dies sogar der Fall sein, um ungewolltes Auslösen beim Einschalten zu vermeiden.
Sicherungsautomaten dienen den gleichen Zwecken, wie auch Schmelzsicherungen. Sie werden überall dort eingesetzt, wo man mit häufigerem Auslösen rechnet oder besondere Benutzerfreundlichkeit gefragt ist. Die üblichen Baugrößen wie auch Nennströme fangen allerdings bei weit größeren Werten an, als bei Schmelzsicherungen. Auch haben Sicherungsautomaten einen viel höheren Preis, als Schmelzsicherungen.
Es gibt auch elektronische Sicherungen gegen Überspannung (Crow Bar) oder Überstrom. Diese bieten den Vorteil, daß sie mit weit geringeren Auslösezeiten realisiert werden können, als ihre elektromechanischen oder elektrothermischen Geschwister. Zur Erzielung einer gleichwertigen Sicherheit sollten sie aber sehr sorgfältig dimensioniert und mit Schmelzsicherungen (beim Crow Bar entscheidender Teil des Konzepts) kombiniert werden.
Unter einem Crow Bar versteht man eine Schaltung, die eine wertvolle elektronische Schaltung vor Zerstörung durch Überspannung des Netzteils schützt. Realisiert wird dies durch einen Thyristor, der bei Überspannung gezündet wird und dadurch die Spannugsquelle kurzschließt. Dadurch wird die Überstromsicherung im Netzteil ausgelöst und die Schaltung stillgelegt. Besonders wichtig ist hier -- neben einer zuverlässigen Spannungsüberwachung, die den Thyristor sicher zünden kann -- die großzügige Dimensionierung des Thyristors selbst. Bis zum Auslösen der Überstromsicherung muß er die gesamte vom Netzteil gelieferte Leistung "verbraten", ohne dabei überhitzt zu werden. Mit einem Kühlkörper ist da nicht viel zu machen; entscheidend ist die innere Wärmekapazität des Bauteils selbst.
In der Bezeichnugn Polyswitch ist 'switch' eigentlich nicht korrekt. Es handelt sich um einen stark nichtlinearen temperaturabhängigen Widerstand. Ab einer bestimmten Temperaturschwelle (je nach Typ zwischen 80 - 150 Grad Celsius) steigt der Widerstand stark an. Dadurch wird die Verlustleistung begrenzt. Im Kurzschlussfall bedeutet dies, daß der Poliswitch heiß bleibt. Er ist nicht ein Schalter, der öffnet, sondern es fließt noch ein geringer Strom. Je nach Stromstärke kann es durchaus etliche Sekunden dauern, bis die Schutzwirkung einsetzt. Ein Polyswitch eignet sich daher nicht zum Schutz von empfindlichen elektronischen Bauteilen. Ein Polyswitch in extrem kalter Umgebung wird außerdem viel später (oder bei guter Kühlung gar nicht) abschalten, als sein Kollege in der Sauna. Ein Anwendungsgebiet ist der Schutz von kleineren Elektromotoren. Bei mechanischen Problemen, die zum Blockieren führen, steigt der Motorstrom extrem an und würde nach einiger Zeit die Spulen zum Rauchen bringen. Ein Polyswitch rettet den Motor, bis einer den Sand aus dem Getriebe gefegt hat.
Ein Polyswitch ist im Grunde nichts anderes als ein Leistungs-PTC (PTC = Positive Temperatur Coeffizient). Man nennt PTCs daher auch Kaltleiter. Zu beachten ist, daß Polyswitches auch im Kaltzustand einen nicht zu vernachlässigenden Widerstand aufweisen. Daher ist es nicht gut, sie zur Absicherung einer geregelten Spannung einzusetzen, weil der Innenwiderstand der Spannungsquelle dadurch erheblich ansteigt. Besser ist es, den Polyswitch zwischen Gleichrichtung und Spannungsregelschaltung einzubauen. Noch besser ist er im Trafo-Sekundärkreis (mit etwas höherem Wert) aufgehoben. Es ist auch möglich, einen PTC mit entsprechend niedrigerem Wert in den Primärkreis zu schalten, der dann die gesamte Netzteilschaltung inklusive Trafo schützt. In diesem Fall muß natürlich die Dimensionierung (insbesondere die Spannungsfestigkeit) besonders sorgfältig bedacht werden. Der Polyswitch muß sich bei Kurzschluss oder Überlast schnell genug erwärmen, damit die Verlustleistung des gesamten Netzteiles sich so rasch reduziert, daß nichts zerstört werden kann.
Es gibt auch Leistungs-NTCs, sogenannte Heißleiter. Diese setzt man hauptsächlich zur Einschaltstrombegrenzung ein, weil sie erst nach der Erwärmungszeit niederohmig werden und das dauert etwas. Sie sind speziell geeignet im Primärkreis von Ringkerntrafos. Dabei ist es sinnvoll, wenn verzögert ein Relaiskontakt den Heißleiter überbrückt. So reduziert man die Verlustwärme in der Schaltung oder im Gerät. In der MEGA-LINK 1/97 (einer Schweizer Fachzeitschrift) steht ein Artikel von Thomas Schaerer zu diesem Thema mit einer praktischen Applikation. In dieser wird auch das Problem eines sehr kurzen Netzausfalles mit berücksichtigt.