Ladegerät für 18V-Akkupacks

Wer schon einmal die bei den Baumarkt-Akkuschraubern als Zubehör mitgelieferten Lade-"Geräte" aufgeschraubt hat, wird sicher bemerkt haben, dass diese meist nur aus einer Diode und einem Vorwiderstand bestehen. Ein Frevel gegen jeden armen Akkupack ! Es ist nur eine Frage der Zeit, bis ein Kapazitätsverlust - sei es durch Überladung oder durch den Memory-Effekt - eintritt und der Akkuschrauber dann schon nach kurzem Gebrauch schlapp macht.

HINWEIS:
Der eingesetzte Ladecontroller ICS1702 ist inzwischen leider obsolete, wird also nicht mehr hergestellt. Von Bastian bekam ich den Tip, dass es von TEMIC einen relativ ähnlichen Controller gibt, den U2402B, der mit geringfügigen Umbauten verwendet werden kann. Ich selbst werde das Gerät nicht mehr weiterentwickeln, da inzwischen ein Akkuschrauber mit Lithium-Akku (und anständigem Ladegerät) den alten Spax-Würger ersetzt hat.

Genau für solche Fälle ist der hier vorgestellte Akkulader ausgelegt, der natürlich nicht nur die Akkus von Akkuschraubern, sondern jeden beliebigen NiCd- oder NiMH-Akkupack mit 15 Zellen lädt. Auch eine Umkonfiguration auf eine andere Zellenzahl ist ohne große Umbauten möglich.

Die Schaltung basiert auf einem Schaltungsvorschlag aus dem ELVjournal, Ausgabe 3/98 Seite 24 ff., wurde jedoch in einigen Punkten modifiziert und angepasst (Wegfallen der Temperatursicherung, geänderte Spannungsversorgung, Vorentladung).

Kernstück der Schaltung ist der Chip vom Typ ICS 1702 der Firma Integrated Circuit Systems. Es handelt sich dabei um einen intelligenten Ladebaustein, der nach dem Reflex-Ladeverfahren arbeitet (auf jeden Ladeimpuls folgt ein kurzer, kräftiger Entladeimpuls; das schont den Akku und erhält auf Dauer die volle Kapazität). Er ist in der nachfolgenden Schaltung so konfiguriert, dass der Akku zuerst vollständig entladen und anschließend voll aufgeladen wird. Darauf folgt eine Erhaltungsladung, der Akku kann also unbegrenzt im Ladegerät verbleiben, ohne überladen zu werden.

Die Schaltung

Im oberen Teil ist das Netzteil zu sehen. Links der Netzeingang, der nach der Sicherung auf den Netzschalter S1 führt. An die Primärwicklung des darauffolgenden Netztrafos ist noch ein Entstörkondensator (wichtig: X2-Typ, weil direkt an Netzspannung !) angeschlossen. Der Trafo sollte sekundär etwa 1,3 Ampère bei einer Spannung von etwa 21 Volt liefern können. Die Sekundärspannung wird dann mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet. Ich habe einen Trafo mit 42 Volt-Ausgang und Mittelanzapfung verwendet (war noch in der Bastelkiste übrig), deswegen reichen statt dem Brückengleichrichter zwei 3A-Dioden.

Mit C2 und C3 wird die direkt zum Laden des Akkus verwendete Spannung gepuffert und stabilisiert. Für das Lade-IC und den Operationsverstärker wird noch eine stabile 5V-Spannung mit Hilfe des Spannungsreglers IC1 generiert und mit C4 und C5 geglättet.

Schaltplan des 18V-Laders

An den Pins 4, 5 und 6 des Ladecontrollers IC2 sind die drei Status-LEDs D3 bis D5 angeschlossen. D4 und D5 können an einen gemeinsamen Vorwiderstand angeschlossen werden, da sie nie gleichzeitig leuchten müssen. Die Bedeutung der LEDs kann der folgenden Tabelle entnommen werden.

LED Funktion
D3 (grün) blinkt im Entlademodus, leuchtet bei Erhaltungsladung oder Topping Charge
D4 (rot) leuchtet während dem Ladevorgang
D5 (rot) leuchtet wenn kein Akku angeschlossen ist

Im Einschaltmoment ist der Elko C6 noch entladen und wird erst über D6 aufgeladen; dieser kurze Impuls dient zum definierten Zurücksetzen des Controllers über den Reset-Eingang Pin 11. Der Widerstand R3 und der Kondensator C7 bilden mit der IC-internen Beschaltung einen Oszillator, der den Systemtakt des ICs vorgibt. Bei der gewählten Beschaltung liegt dieser bei etwa 1 MHz.

An Pin 18 (VIN) erhält der IC die Akkuspannung, und zwar heruntergeteilt auf die Spannung pro Zelle. Bei 15 Zellen muss also die Akkuspannung auf ein Fünfzehntel heruntergeteilt werden; das erledigt der mit R6, R7 und R8 aufgebaute Spannungsteiler. Hat der Akku 18 Volt, liegen am Eingang genau 1,2 Volt an. Der Spannungsteiler R4/R5 gibt schließlich einen Vergleichswert für den internen Komparator vor. Liegt die Spannung am Eingang VIN über dieser Spannung, geht der Controller davon aus, dass kein Akku angeschlossen ist. Hier wurde eine Spannung von etwa 1,76 Volt als Vergleichsspannung vorgegeben.

SEL0 SEL1 Laderate Topping Charge Impulsrate Impulsrate bei Erhaltungsladung Schnellladungstimer
L L 4C (15min) 1 alle 40s 1 alle 160s 21min
L H 2C (30min) 1 alle 20s 1 alle 80s 39min
L Z 1.3C (45min) 1 alle 13s 1 alle 53s 57min
H L 1C (60min) 1 alle 10s 1 alle 40s 75min
H Z C/1.5 (90min) 1 alle 7s 1 alle 27s 110min
H H C/2 (120min) 1 alle 5s 1 alle 20s 144min
Z L C/2.5 (150min) 1 alle 4s 1 alle 16s 212min
Z Z C/3 (180min) 1 alle 3s 1 alle 13s 244min
Z H C/4 (240min) 1 alle 2s 1 alle 10s 275min

(H = Pin auf +5V; L = Pin auf Masse; Z = Pin offen)

An den Pins 7 (SEL0) und 10 (SEL1) wird die Laderate eingestellt (s.Tabelle). Von dieser Einstellung hängt die Ladeimpulsrate bei der "Topping Charge" (nach der Schnelladung; damit wird der Akku exakt vollgeladen) und der Erhaltungsladung sowie die Laufzeit des Sicherheitstimers ab, der bei übermäßiger Ladezeit die Schnellladung beendet. Mit der gewählten Beschaltung (SEL0 auf +5V, SEL1 offen) ist eine Laderate von C/1,5 eingestellt (d.h. es wird mit einem Strom geladen, der der Akkukapazität geteilt durch 1,5 entspricht), woraus eine Topping Charge-Rate von einem Impuls pro 7 Sekunden, eine Erhaltungsladerate von einem Impuls alle 27 Sekunden und eine Laufzeit des Sicherheitstimers von 110 Minuten resultiert. Mein Akku hat etwa 1,3Ah, also muss der Ladestrom später auf etwa 870mA eingestellt werden. Ein größerer Ladestrom ist durchaus okay, weniger sollte es wegen des Sicherheitstimers nicht sein.

Die Pins 14 (AUX0) und 15 (AUX1) stellen die Funktion des IC's ein. Das IC soll hier den Akku bis auf eine Spannung von 1V pro Zelle (= Entladeschlussspannung) entladen, voll aufladen und anschließend in die Erhaltungsladung übergehen. Das ist übrigens der Grund, warum die Temperatursicherung entfallen ist: Spricht sie an, wird das IC zurückgesetzt und würde von vorne mit der Entladung beginnen, was bei erneutem Ansprechen der Sicherung u.U. in einer Endlosschleife resultieren könnte. Als Gegenleistung zum Wegfall wurden die Kühlkörper entsprechend üppig bemessen. Es besteht noch die Möglichkeit einer Temperaturmessung über das IC, die hier aber nicht wahrgenommen wurde (DTSEL offen, THERM auf Masse).

AUX0 AUX1 Lademode Bedeutung
L L Charging System Test Controllertest (für integrierte Applikationen): CMN, MMN, PFN sowie CHG und DCHG werden für 1s aktiviert, anschließend geht der Controller auf StandBy (Reset nötig).
L H Direct Maintenance Zeitlich unbegrenzte Erhaltungsladung mit C/40
Z Z Fast Charge Schnellladung des angeschlossenen Akkus (Standard)
Z L Discharge Only Akku wird auf 1V pro Zelle entladen; anschließend geht das IC auf StandBy und muss zurückgesetzt werden.
H L Discharge to Charge Akku wird zuerst auf 1V pro Zelle entladen, anschließend voll aufgeladen (hier gewählt)
H Z Condition Topping Charge mit C/10 für 10 Stunden, anschließend Erhaltungsladung mit C/40
H H Ten Hour Timer Begrenzt die gesamte Ladezeit incl. Erhaltungsladung auf 10 Stunden

(H = Pin auf +5V; L = Pin auf Masse; Z = Pin offen)

Ganz unten im Bild sind die Lade- und Entladeendstufen zu sehen. Der Transistor T1 ist als Längsregler beschaltet, der den Ladestrom in den Akku regelt. Der Ladestrom fließt über D7 in den Akku und dann über den Shunt-Widerstand R14 nach Masse ab. An ihm fällt eine dem Ladestrom proportionale Spannung ab, die über R15 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC3A (IC3B war ehemals die Temperatursicherung, er ist hier nicht benötigt) geführt wird. Er vergleicht sie mit der Spannung am invertierenden Eingang, die mit Hilfe des Potis R16 eingestellt werden kann. Über R19 steuert der OpAmp den Transistor T2, der wiederum den Längsregler T1 steuert. Der OpAmp misst also über R15 den aktuellen Ladestrom und regelt ihn so ein, dass genau der mit R16 eingestellte Ladestrom fließt (mit der gewählten Beschaltung ist der Ladestrom etwa von 0,6 bis 1,2 Ampère einstellbar). C8 und C9 dienen zur Schwingneigungsunterdrückung und zur Stabilisierung der Eingangsspannung des OpAmps. Legt der Controller seinen Pin 1 auf Masse, dann fließt der Basisstrom des Transistors T2 über D9 ab, und die Ladeendstufe ist gesperrt.

Ansicht des fertigen Laders

Die Entladeendstufe ist einfacher aufgebaut. Sie besteht aus R11 bis R13 und T3. Gibt der Controller an Pin 2 ein HIGH aus, beginnt T3, durchzuschalten, und es fließt ein Entladestrom über den Hochlastwiderstand R11. Der Entladestrom sollte laut Datenblatt ungefähr das 2- bis 3-fache des Ladestroms betragen. Mein Ladestrom ist auf 1A eingestellt, und der Entladestrom beträgt etwa 2,6A (bei 18V).

Es fällt auf, dass das IC selbst nur die Lade- bzw. Entladeendstufe freigibt, selbst jedoch den fließenden Strom nicht regelt. Der eingestellte Ladestrom muss dem IC aber über die Einstellung der Laderate mitgeteilt werden.

T1 und R11 sind auf Kühlkörpern montiert. Sie sollten groß genug gewählt werden, und wenn möglich, sollten beide Bauteile auf zwei getrennten Kühlkörpern montiert werden, da sonst beim Entladen R11 den Transistor ziemlich aufheizen kann, ohne dass dieser überhaupt aktiv ist. Die Verlustleistung für den Transistor kann durch eine gut bemessene Versorgungsspannung minimiert werden, da dann weniger Spannung und somit weniger Leistung über T1 abfällt. Aber Achtung: Die Leerlaufspannung muss immer noch deutlich über der Spannung an OPREF liegen, damit ein nicht angeschlossener Akku deutlich erkannt wird !

Ablauf des Ladevorgangs

Während dem Einschalten überprüft der Controller, ob an VIN eine Spannung über 0,5 Volt anliegt. Wenn ja, beginnt gleich der Entladezyklus, ansonsten startet der Akku-Poll-Modus. Jede Sekunde wird dann ein kurzer Ladeimpuls auf den Ausgang gegeben und überprüft, ob die Spannung an VIN unter OPREF liegt (bedeutet: Akku angeschlossen). Währenddessen leuchtet die an PFN angeschlossene LED.

Sobald ein Akku angeschlossen ist, beginnt der Entlademodus. Dabei wird pro Sekunde für 400ms DCHG auf LOW gelegt und so der Akku entladen. Durch den gepulsten Betrieb wird korrigiert, dass der Entladewiderstand ja eigentlich für den 2,5-fachen Ladestrom ausgelegt war; es wird also effektiv mit einem dem Ladestrom entsprechenden Entladestrom entladen. Beim Entladevorgang blinkt die an MMN angeschlossene LED.

Elektronik des fertigen Laders

Sinkt die Akkuspannung auf 1V pro Zelle, beginnt der Ladevorgang. In den ersten zwei Minuten wird dabei der effektive Ladestrom durch stetiges Vergrößern des an CHG ausgegebenen Ladeimpulses langsam hochgefahren. Zellen mit hohem Innenwiderstand könnten andernfalls bereits frühzeitig als vollgeladen erkannt werden. Anschließend folgt der eigentliche Schnellladevorgang bis zur Ladeenderkennung. Dazu misst der Controller ständig die Akkuspannung, und sobald sie am Ende des Ladevorgangs leicht zu sinken beginnt, beendet er den Ladevorgang. Während dieses Schnellladevorgangs leuchtet die an CMN angeschlossene LED. Zwischen den einzelnen Ladeimpulsen folgt jeweils - nach kurzer Ruhezeit - ein kurzer Entladeimpuls zur Formierung des Akkus.

Nach der Ladeenderkennung folgt die zweistündige Topping Charge, angezeigt durch die leuchtende LED an MMN. Hierbei wird der Ladeimpuls wieder verschmälert, so dass effektiv mit C/10 aufgeladen wird. Der Akku wird so auf 100 Prozent seiner Kapazität gebracht. Sind die zwei Stunden abgelaufen, beginnt die Erhaltungsladung, bei der der Akku unbegrenzt im Ladegerät verbleiben kann und mit C/40-Ladeimpulsen auf seiner vollen Kapazität gehalten wird. Die MMN-LED leuchtet weiter.

Wird der Akku entnommen, geht das Ladegerät wieder in den Akku-Poll-Modus, und der Prozess kann von vorne beginnen.


Bilder von Nachbauten

Hier noch ein Bild eines Nachbaus (noch ohne Gehäuse) des Laders von Wolfgang (Stand März 2010), der auch die 18V-Akkupacks für einen Akkuschrauber damit auflädt.

Nachbau Wolfgang