Akku-Entlader

Ein Bekannter hat sich eine Video-Kamera zugelegt, zu deren Lieferumfang auch ein Ladegerät für den NiCd-Akku der Kamera gehörte. Leider ist das Ladegerät eines von der nicht ganz so teuren Sorte, folglich hat es den Akku einfach nur geladen, unabhängig von dessen Ladezustand.

Um den Memory-Effekt zu verhindern sollte der Akku vor dem Laden immer definiert entladen werden, möglichst auf einen bestimmten Spannungspegel, aber eine Tiefentladung der Zellen soll ebenfalls vermieden werden. Also muss bei Erreichen der Endspannung der Entladeprozess abgebrochen werden.

Mit dem TEA1041T existiert ein Baustein, der als Batterie- und Akku-Zustandsanzeige gedacht ist, und diesen Zustand mit 2 LEDs anzeigen soll. Die Kurzbeschreibung des IC besagt folgendes: "Der TEA1041T warnt optisch durch eine blinkende LED bei Unterschreiten der eingestellten Schwellenspannung. Bei weiterer Entladung der Batterie (Akku) wird durch eine zweite blinkende LED der Austausch der Batterie oder das Nachladen des Akkus angezeigt".

Mit etwas Phantasie lässt sich dieses IC aber auch als Controller für ein Akku-Entladegerät verwenden.

Mit einem NPN-Tansistor als Inverter und Treiber zwischen Ausgang LED1 (7) und der Erregerspule eines Relais wird aus der "Warnung zum Nachladen" die Selbstabschaltung in meinem Akku-Entlader.

Das Schaltbild in voller Auflösung gibt es hier.

 

IC TEA1041T ist nicht mehr lieferbar !

Neue Schaltung siehe unten...

 

 

Im Bild ist die Dimensionierung für 4 NC Zellen gezeichnet, der Entladestrom wird durch den Lastwiderstand R6 von 4,7 Ω auf ca. 1A zu Beginn der Entladung begrenzt. Die Entladeschlussspannung wird mit dem Poti R1 rechts daneben eingestellt. Unschwer ist zu erkennen, dass das Relais beim Entladeschluss den ganzen Rest der Schaltung vom Akku trennt und damit eine weitere Entladung verhindert. Vor diesem Hintergrund habe ich auch darauf verzichtet, das Entladeende per LED anzuzeigen, die LED leuchtet also, solange die Entladung läuft und erlaubt die Kontrolle, ob das Relais angezogen hat. Gestartet wird der Entladeprozess durch Druck auf den Moment-Taster S1.

Beim Nachbau sind einige Punkte zu beachten:

• Die Erregerspannung des Relais muss passend zum zu entladenden Akku(pack) gewählt werden.
• Der Vorwiderstand R4 für die LED muss ebenfalls angepasst werden (ca. 10mA LED-Strom bei 1,8V Brennspannung ansetzen).
• Bei Akkuspannungen von mehr als 4 Volt muss die Betriebsspannung des TEA1041T mit einer Zenerdiode auf 3,9 Volt begrenzt werden. Der Vorwiderstand für die Z -Diode muss wieder für 10mA Zenerstrom berechnet werden.
• Der Lastwiderstand muss nach dem gewünschten Entladestrom berechnet werden (hier ca. 1A bei einem 4,8 Volt-Akku). Außerdem muss er die Verlustwärme aushalten . Ich habe mich für den Showeffekt entschieden und einen goldenen 25W-Typ zum Aufschrauben gewählt, obwohl hier ein 5W-Typ gereicht hätte. Der Erfolg gibt mir recht, wie man sehen kann... ;-)

Sollen unterschiedliche Akkupacks entladen werden, muss ggf. eine Spannungsstabilisierung vorgesehen werden die zum einen das Relais versorgt und zum anderen die Betriebsspannung für das IC bereitstellt. Das gilt natürlich nur, wenn die vorgesehenen Akkuspannungen zu stark voneinander abweichen (ein 12V-Relais wird bei 6V immer noch sicher anziehen, man kann damit also ohne Probleme 6 bis 10 Zellen entladen. Mit z.B. 32 Zellen kommen wir aber in Bereiche von anfangs über 40 Volt. Ein 48V-Relais zieht aber mit 6V sicher nicht mehr an). Wenn das geplant ist, muss auch die Abschaltspannung für jeden Akkupack getrennt eingestellt werden. Das ließe sich z.B. mit einem Drehschalter und der entsprechenden Anzahl Potis erreichen. Die geniale Einfachheit der Schaltung ist dann natürlich zum Teufel :-)

Das abgebildete Schaltbild liegt auch als EAGLE-Datei vor. Gleiches gilt für ein einseitiges Layout. Die Dateien sind in diesem Archiv enthalten. Das ist hilfreich für denjenigen Nachbauer, der sich davor scheut, ein 8-poliges SMD-IC fliegend zu verdrahten (so geschehen in dem Videokameraakku-Entlader für meinen Bekannten ;-))

Kurze Abgleichanleitung:
Nach dem Zusammenbau folgt der Abgleich mittels Poti R1 (die Z-Diode dient zur Begrenzung der Betriebsspannung des IC, nicht zur Definition der Entladeschlussspannung).
Dazu mit einem einstellbaren Netzgerät, das den gewünschten Entladestrom liefern kann, die gewünschte Entladeschlussspannung einstellen und das Poti so hindrehen, dass das Relais gerade abfällt. Danach ggf. mehrmals das Netzgerät von oben langsam an diese Spannungsgrenze heranfahren und nachmessen, ob der Abschaltpunkt stimmt.

Achtung !  Der Lastwiderstand wird im Betrieb heiß !!!

Nachtrag (nach Lieferstopp für den TEA 1041)

Bei der Umsetzung des Designs von TEA 1041 auf MAX931 ist mir aufgefallen, dass ich das SMD-IC auf der falschen Seite (der Löt- oder Unterseite) entflochten habe. Der geneigte Nachbauer hätte also das IC kopfüber von der Unterseite der Platine auflöten müssen (selbstgebauter Flipchip). Insofern also eine gute Nachricht, dass der TEA1041 nicht mehr lieferbar ist (aber ein schwacher Trost für meine Schlampigkeit :-(   Sorry, falls doch noch einer einen TEA 1041 ergattert hatte und Probleme mit meinem Layout bekam.

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Bad News... (Stand April 2001)

Ein Nachbauwilliger hat festgestellt, dass der TEA 1041 nicht mehr hergestellt wird. Conrad kann nach seiner Auskunft nicht mehr liefern, ein weiterer Lieferant hat den Baustein nicht mehr im Angebot.

Falls jemand eine Quelle für den Baustein kennt, mir bitte Bescheid geben, ich werde das dann hier veröffentlichen.

Parallel werde ich versuchen, einen Alternativbaustein mit gleicher (oder ähnlicher) Funktionalität aufzutun.

Im Wesentlichen geht es bei der Funktion des Bausteins ja um einen Komparator, also eigentlich kein Hexenwerk. Der große Vorteil der TEA 1041-Lösung war die kleine Mindestbetriebsspannung und die Zusammenfassung aller notwendigen Funktionen in einem kleinen Chip. Da sollte sich was finden lassen.

Auch hier wieder die Bitte: Wenn jemand einen Ersatz für den TEA 1041 gefunden hat, bitte mir mitteilen.

Danke !

Good News... :-) (Stand November 2001)

Ich habe mit dem Maxim-Baustein MAX 931 einen Ultra Low-Power-Komparator gefunden, der die Funktionalität des TEA 1041 ebenfalls mitbringt. Lediglich der nutzbare Versorgungsspannungsbereich ist nach unten etwas eingeschränkt. Der MAX 931 arbeitet erst ab einer Versorgungsspannung von 2,5 V (im angestrebten Einsatzfall, also mit Spannungsreferenz), man kann somit minimal 4 hintereinandergeschaltete Zellen entladen (wenn von einer Entladeschlussspannung von 0,8 Volt pro Zelle ausgegangen wird).

Der Klammersatz mit dem Einsatzfall verdient wohl einige Worte: Im MAX 931 ist außer dem Komparator auch eine Spannungreferenz eingebaut, was den Ein-Baustein-Ersatz für den TEA 1041 erst ermöglicht. Die Spannungsreferenz im MAX 931 arbeitet nur bis minimal 2,2 V, bildet also den einschränkenden Teil des IC. Der Komparator selbst würde auch noch mit 1 V arbeiten, aber da haben wir dann keine Referenz mehr.

Müßig zu sagen, dass der MAX 931 natürlich nicht pinkompatibel zum TEA 1041 ist. Aber das hat sicher sowieso niemand wirklich erwartet, oder ?  ;-))

Die geänderte Schaltung ist fertig

Auf Wunsch potenzieller Nachbauer stelle ich das Schaltbild hier noch direkt zum Anschauen ein.

Wie immer gibt es das Schaltbild hier auch in voller Auflösung

Achtung !
R3 nicht bestücken.

 

Theoretisch muss alles so wie vorher funktionieren und selbst die Änderungen am Layout haben sich im Wesentlichen auf den Ersatz des SMD TEA 1041 durch den DIP MAX 931 beschränkt.

Wer schon eine Platine für die TEA 1041-Version erstellt hat (bitte dazu auch den Nachtrag beachten), könnte rein theoretisch die wenigen Leiterbahnen für den TEA wegkratzen/auftrennen, die 8 Löcher für das DIP-Gehäuse des MAX bohren und ihn über Drähte anschließen. Zumindest wäre diese Möglichkeit mit dem von mir für den TEA1041 erstellten Layout gegeben. Außerdem entfällt noch der Blockkondensator C1.

Alle Bauteile für die geänderte Schaltung sind bei Reichelt erhältlich und kosten lt. Preisliste 01/2002 zusammen ca. 7 € (ohne Platine).
Die ladbaren Schaltungsunterlagen bestehen aus Schaltbild und Layout im Eagle-Format.

 

Test der neuen Entladerschaltung erfolgreich (Stand 03.12.2001)

Ich habe natürlich nicht allzulange stillhalten können und habe eine kleine Versuchsschaltung mit dem MAX931 aufgebaut. Erwartungsgemäß funktionierte alles wie geplant :-)

Der Testaufbau umfasste nur das IC, das Poti und die Teile für die Spannungsversorgung, also Z-Diode, deren Vorwiderstand und den Blockkondensator. Den Ausgang des MAX931 habe ich mit dem Oszi beobachtet. Sobald die Eingangsspannung der Schaltung (von oben kommend) den mit dem Poti eingestellten Schaltwert erreicht, schaltet der Ausgang (Pin8) von VCC nach GND um (das ist, wofür ein Komparator lebt und das tut er aus Leibeskräften ;-). Da der Ausgang des MAX931 aktiv (mit max. 40 mA) nach VCC treibt, solange der Eingangsschwellwert nicht unterschritten wird, ist der Pullup-Widerstand R3 an der Basis des Transistors 2N2222 überflüssig. Genaugenommen ist er sogar schädlich, denn der Ausgang des MAX931 kann bei Lowpegel max. 5 mA aufnehmen. Der Widerstand würde da nur zusätzlichen Strom einbringen.
Also lassen wir R3 weg (womit wir dann schon 2 Bauteile gegenüber der Originalschaltung gespart hätten. Das neue Design gefällt mir immer besser :-)).

Hinweis zum Abgleich:

Beim Abgleich der Schaltung sollte man den Schleifer des Poti vor Anlegen der Betriebsspannung ganz nach Masse drehen, um Latch-Up zu vermeiden. Latch-Up kann bei CMOS-ICs auftreten, wenn an einem Eingang ein höherer Spannungspegel als die Versorgungsspannung ansteht (Im Datenblatt sind 300 mV mehr/weniger als VCC/GND als tolerabel für den MAX931 angegeben, also durchaus ein Punkt wo Sorgfalt Not tut).

In diesem Zusammenhang wäre noch die maximale Betriebsspannung des MAX931 zu erwähnen. Die reicht laut Datenblatt von 2,5 bis 11 Volt im unsymmetrischen Betrieb (also mit einer auf Masse bezogenen Versorgungsspannung) wie er hier eingesetzt wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit, den Vorwiderstand R2 und die Z-Diode einfach wegzulassen, wenn die Akkuspannung sicher unterhalb der erwähnten 11 Volt bleibt. (Jetzt ist mit 4 eingesparten Bauteilen aber Schluss :-)

Im Datenblatt des MAX931 ist noch die Möglichkeit vorgesehen, eine Hysterese einzustellen. Davon habe ich abgesehen, da ein Schwingen des Ausgangs ziemlich sicher durch die impliziten Eigenschaften des Drumherum unterbunden wird ;-)

Mit anderen Worten: Wenn der Ausgang einmal nach Masse gegangen ist, fällt das Relais ab und die Schaltung ist spannungslos. Selbst wenn der MAX danach meint, er müsse seinen Ausgang, aus welchen Gründen und betrieben mit welcher Energie auch immer, wieder aktivieren, das Relais wird abgeschaltet bleiben und der MAX wird sich über kurz oder lang ebenfalls eines Besseren belehren lassen :-)

Also nochmal geballt zum Mitschreiben...

Gegenüber der Originalschaltung mit dem TEA1041 fallen auf jeden Fall die Bauteile C1 und R3 (Bezeichnung aus dem TEA-Design) weg.

Bleibt die Akkuspannung sicher unterhalb der zulässigen Betriebsspannung des MAX931 von 11 Volt, kann zusätzlich R2 und D1 (Bezeichnung aus dem TEA-Design) weggelassen werden.

Nimmt man für voll geladene Akkus 1,6 Volt pro Zelle an (direkt nach dem Laden), dann wäre also bei 6 Zellen Schluss. Mit gut “abgelagerten” (also nicht frisch geladenen) Akkus würde ich mich trauen, 8 Zellen zu entladen (1,3 Volt pro Zelle).

Ansonsten bleiben die beiden Bauteile einfach drin und man hat keine Sorgen. Nur auf die zulässige Verlustleitungen der Bauteile muss geachtet werden, Einzelheiten dazu bitte der Beschreibung der TEA 1041-Schaltung entnehmen.

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Von Henning Hanssen und Hans Schleisiek kam der Hinweis, dass bei ihrem Nachbau des Entladers das IC heiß wurde, wenn der Transistor angesteuert wird. Das lässt sich durch einen Längswiderstand von 1 kΩ im Basis-Zweig des Transistors (zwischen Pin OUT des IC und Basis des Transistors) vermeiden.
Danke für den Tipp.

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Fabian Lührs gibt zu bedenken, dass die Mehrzahl aller Akkus in deutschen Haushalten bei einer Belastung mit
1 A Entladestrom bereits relativ früh abschalten werden, also lange bevor sie richtig leer sind. Sein Vorschlag, den Entladevorgang mehrfach zu starten, halte ich für Overkill, aber es spricht nichts dagegen, den Entladewiderstand zu vergrößern um so den Strom kleiner zu machen. Der Spannungseinbruch wird dann mäßiger ausfallen, die Entladung geht tiefer.
Danke für den Hinweis.

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Aktualisierung

Weiter oben habe ich vollmundig versprochen, dass die Hysterese des Komparators MAX 931 nicht genutzt werden muss, da zu dem Zeitpunkt, wenn das Relais wegen Unterspannung abfällt, die Schaltung komplett stromlos ist und sie deshalb nicht schwingen kann... soweit die Theorie.

Wie mir Hendrik Schneider mitteilte, tut sie das aber doch!

Nach seiner Beschreibung fängt die Schaltung bei Abschaltspannung an zu summen und die LED parallel zum Relais (siehe Schaltbild weiter unten) leuchtet.

Richtig erklären kann ich mir den Effekt eigentlich nicht, aber ich versuche es dennoch mal mit einer Theorie.

Hendrik hat seinen Nachbau etwas modifiziert, in dem er anstelle der Diode 1N4148 eine grüne LED als Freilaufdiode für die Relaisspule verwendete. Das scheint in meinen Augen die einzige Änderung zu sein, die mit dem beschriebenen Effekt in Zusammenhang stehen kann.

Im Moment des Abschaltens des Relais wird in der Spule auf Grund der Selbstinduktion eine hohe Spannung induziert, die mit der Freilaufdiode kurzgeschlossen werden soll, damit der Rest der Schaltung keinen Schaden leidet. Eine Silizium-Diode hat eine Durchlassspannung von ca. 0,7 V, auf diesen Wert wird die Spannung an der Relaisspule also begrenzt. Ein Relais mit 5 V Nennspannung wird damit normalerweise nicht anziehen können.

Die Brennspannung einer grünen LED beläuft sich hingegen auf 2,2 V bis 4,5 V, je nach zu Grunde liegender  Technologie der LED. Mithin wird die Spannung über der Relaisspule auf irgendwo in der Nähe der halben bis vollen Betriebsspannung des Relais “begrenzt”, was durchaus dazu führen kann, dass das Relais nicht sofort, sondern verzögert abfällt und dieses eventuell sogar “langsam”. Hiermit will ich ausdrücken, dass der Relaiskontakt zwar öffnet, aber nicht sofort komplett abfällt, sondern nur ein wenig öffnet, gerade soweit, dass die Belastung des zu entladenden Akkus zurück geht.

Während dieser verzögerten Abfallzeit erholt sich der Akku also soweit, dass seine Spannung oberhalb des Schwellwerts des Komparators liegt, dieser schaltet den Transistor wieder ein und das Relais zieht wieder voll an.

Das Ganze wiederholt sich zyklisch, bis der Akku so schwach geworden ist, dass seine Spannung nicht mehr ausreicht, das Relais anziehen zu lassen.

Hendrik hat die Schaltung um die zwei Widerstände R2 (100k) und R5 (6M7) zur Einstellung der Hysterese erweitert und mir zur Veröffentlichung zur Verfügung gestellt. Die oben nur textuell erwähnte Änderung der Transistorbeschaltung hat er ebenfalls einfließen lassen.

Seine Schaltung ist auf 4,8 V, also 4 Zellen ausgelegt, er kommt damit ohne Vorwiderstand und Z-Diode aus (vergleiche Schaltbild oben).

Danke an dieser Stelle!

 

Das Schaltbild im EAGLE 5 Format findet ihr hier.