Zum Laden von Bleiakkus wird eine maximale Akkuspannung benötigt und ein begrenzter Ladestrom. Diese Schaltung leistet das. Sie bildet sich aus dem Schaltregler LM2576 und einem Operationsverstärker. Der Schaltregler regelt die Ausgangsspannung auf den eingestellten Wert mit dem Spannungsteiler P2 und R2. Beim Bleiakku ist diese 13,8V. Der OP1 misst den Strom in die Batterie mit R3 (23cm 0,5mm^2 Cu-Litze) und regelt die Sollspannung des LM2576 herunter, sofern der Strom den eingestellten Wert überschreitet. Dieser Wert wird mit P1 eingestellt. Die Schaltung wird in Kombination mit dem Pulser 3 eingesetzt und hält den Akku stets fit.

Die Strombegrenzung im blauen Kreis arbeitet so: Über P2 und R2 wird dem Regler die Ausgangsspannung am Feedback-Anschluss mitgeteilt. Steigt der Strom an, so fließt er über R3 an dem eine entsprechende Spannung abfällt (20mV/A). Diese Spannung wird vom OP1 verstärkt. Die Verstärkung soll so gewählt werden, dass beim größten einzustellenden Strom durch R3 die Diode D3 leitet - also bei etwa 0,6V zzgl. der Feedback-Spannung des Reglers. Dadurch steigt der Strom durch R2 und damit dessen Spannung an und gaukelt dem Regler eine gestiegene Ausgangsspannung vor - dieser senkt sie sofort. Diese Senkung bewirkt einen sinkenden Ladestrom. Die Regelung im Schaltregler ist stets bestrebt den Wert 1,23V am FB-Eingang zu erzeugen. Regelprinzip des LM2576: Der LM2576 verändert die Ausgangsspannung bis sich am FB-Eingang seine Referenzspannung von 1,23V einstellt.

Angenommen der größte Strom soll 1A sein, dann muss die Verstärkung (1,23V+0,6V)/0,02V = 92 werden, damit die Diode leitet und auf diese Weise den Strom begrenzt. Beim nicht invertierenden Operationsverstärker ist die Verstärkung 1+R4/P1. Nun stellt sich die Frage, wie groß P1 sein sollte:

Errechnen von P1: 92 = 1+150k/x => x = 150k/91 = 1,65k.  Wenn P1 kleiner wird steigt die Verstärkung an, die Spannung über R3 wird höher verstärkt und der sich einstellende Ladestrom wird kleiner. Für 2A Ladestrom muss P1 auf 3,3k steigen. 3A ist das Maximum das der Schaltregler aushält.

Für 3A ist die Verstärkung des OP (1,23V+0,6V)/0,06V = 30,5 

30,5 = 1+150k/x => x = 150k/30,5 = 4,9k

5k sind darum eine gute Wahl für P1. 

 

Die Diode D4 wird eigentlich gar nicht gebraucht. Sie soll nur dem Verpolungsschutz dienen. Die Ausgangsspannung muss darum fürs Laden um die Diodenspannung (etwa 0,6V) höher eingestellt werden.

Der Prototyp

Die Platine

PCB

Die Leiterbahnen der Lastströme sollten unbedingt verstärkt werden

 

Update 22.02.2021

Die Diode D4 hatte ich eingebaut weil es dreimal passierte, dass der Regler kaputt ging wenn die Eingangsspannung fehlte. Offensichtlich kann der Regler Rückwärtsspannungen nicht gut vertragen. Mit der Diode war das Problem zwar gelöst, aber deren 'Flussspannung (0,4 - 0,6V) wurde nicht weggeregelt. Darum habe ich die Schutzdiode jetzt in der Regelkreis eingebaut (D3):

der angepasste Prototyp:

Das Regelprinzip des LM2576ADJ: Die Ausgangsspannung wird über P1 und R2 an den Feedbackeingang des Reglers gegeben, diese Spannung versucht der Regler konstant zu halten.

Die Durchlassspannung der Diode wird auf diese Weise weggeregelt. So hat man einen Schutz vor Rückwärtsspannung und keinen Nachteil durch den Spannungsabfall an der Diode, wie man am Multimeter sehen kann. Die Sollspannung ist 13,9 Volt bei unveränderter Einstellung des Potis P1. Der Spannungsabfall der Diode wurde komplett kompensiert.

 

UPDATE 09/2021

Lader mit hohem Ladestrom

Der LM2576 hält maximal 3A Strom aus. Wem das zu wenig ist, der kann den Ausgang auf einen niederohmigen P-MOSFET schalten. Der maximale Ausgangsstrom hängt dann im Prinzip nur von der Strombelastbarkeit der Spule, der Dimensionierung der Strombegrenzung und der Strombelastbarkeit der Dioden ab. In meinem Fall habe ich eine 100µH-Spule mit 5A eingebaut, einen MOSFET mit 0,02 Ohm DS-Widerstand und eine spezielle Ansteuerung des MOSFET vorgesehen, damit dieser besonders schnell (ab-)schaltet (die Änderungen sind grün umkreist). Warum schnelles Schalten bei MOSFET relativ schwierig werden kann habe ich hier beschrieben: MOSFET als Schalter. (Stichwort "Miller-Effekt").

Die Schaltung vor dem MOSFET

Der Ausgang (Pin 2) vom Regler geht über R2 und R3 auf einen NPN-Transistor. Warum braucht man R3? Ein Blick ins Datenblatt des Reglers bringt Klarheit. Wenn man sich die Ausgangsstufe des LM2576 anschaut fällt auf, dass der Emitter der Endstufentransistoren direkt auf Pin 2 geschaltet wird:

Dadurch wird zwar bei LOW kein Strom mehr geliefert, aber die Ausgangsspannung eben auch nicht aktiv auf 0V gezogen. T1 würde durch seine Eingangskapazität nur sehr langsam sperren. Darum begrenzt R2 den Ausgangsstrom des Reglers bei HIGH, bei LOW sorgt besonders R3 dafür, dass T1 schnell genug sperren kann, weil die Basis rasch auf 0V gezogen wird.

Zustand 1 - Ausgang des Reglers ist LOW

Bei LOW sperrt T1, die Basis von T2 liegt dann über R4 auf Versorgungsspannungsniveau (Vcc), die B-E-Diode leitet und setzt das Gate von T3 ebenfalls auf Vcc - T3 sperrt - kein Strom fließt in die Spule.

Zustand 2 - Ausgang des Reglerst wird HIGH

Jetzt fließt ein Strom durch R2 und R3 und in die Basis von T1. T1 leitet. Die Basis von T2 wird gegen 0V geschaltet und sperrt. Die Diode D2 beginnt zu leiten und leert das Gate von T3 sehr zügig (genauer die GS- und die GD - Kapazitäten). T3 schält dadurch sehr schnell ein und ein Strom lädt die Spule auf. Sehr schnelles Schalten wirkt sich äußerst positiv auf die Verlustleistung in T3 aus. Der Regler ohne diese MOSFET-Stufe könnte maximal 3A liefern und würde einen Kühlkörper benötigen. Bei dieser Schaltung werden bei 3A weder Regler noch MOSFET nennenswert warm.

Zustand 3 - Ausgang des Reglers wird wieder LOW

R1 sperrt, T2 leitet, T3 sperrt, die Spule entlädt sich über D3 und D4 auf den Ausgang der Schaltung.

 

Berechnung der Strombegrenzung für rund 5 A. Prämissen: P2 soll 5k bleiben, R6 soll neu berechnet werden.

Die Verstärkung ist definiert aus dem Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung

 

Ua ist die Referenzspannung des Reglers zuzüglich der Diodenspannung D5

 

 

Ue ist die Spannung am Shunt R7 bei 5 A Strom

 

 

damit ist die einzustellende Verstärkung

 

Berechnen von R6 beim Nichtinvertierenden Operationsverstärker: Die Verstärkung eines Nichtinvertierenden OP berechnet sich aus

 

umgestellt nach R6

 

dieser Wert ist kein Normwert, gewählt wird deshalb einer in der Nähe - 82 k. Was heißt das für den maximalen Strom? [6.1]: 82k eingesetzt in [5]

 Eingesetzt in die umgestellte Formel aus (1)

 

 

Berechnen des Stroms durch R7 bei 0,105V

 

 

Der Strom ist geringfügig höher als 5A, wenn man einen Standardwert für R6 wählt. 

Im Drahtmodell habe ich das umgesetzt. Am Ausgang habe ich zudem noch einen 4700µF- Kondensator spendiert. Der Strom ist noch auf 3A begrenzt, weil ich den Verstärkungswiderstand noch nicht ausgewechselt habe. Wie man sieht, sind die Spule und deren Ansteuerung neu. Im Betrieb bei 3 A habe ich keine Erwärmung vom Regler und MOSFET festgestellt. Das war auch nicht zu erwarten, denn der geringe DS-Widerstand des MOSFET von 0,02 Ohm hat bei 3A nur 60mW Verluste verursacht. Auch die Umschaltverluste durch den Miller-Effekt bleiben im Rahmen: Bei den niedrigen Frequenzen des Schaltreglers und der schnellen Umschaltung der beschriebenen Stufe sind auch diese recht gering. Ab 5A aufwärts würde ich dem MOSFET trotzdem einen kleinen Kühlkörper spendieren.

 

Für alle Varianten gilt: Der Lader ist nicht kurzschlussfest!!!! Meist geht der MOSFET hopps oder - wenn ohne MOSFET - der Regler!