Im Fokus: Rückfluss-Diode im Netzteil (Akkuladeschaltung)
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Einleitung
Im Fokus ist eine neue Elektronik-Minikurs-Idee (Juni 2013). Es geht darum ein Thema in den Raum zu stellen, das von allgemeinem Fachinteresse ist. Dieses Thema wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia eine hervorragende einführende Erklärung, wenn es grundlegend mit Physik zu tun hat. Danach werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse aus dem ELKO vorgestellt, wo das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Ein praktischer Anlass kann sein, wenn ich feststelle, dass in Elektronik-Foren/Newsgruppen immer wieder die selben Inhalte befragt und diskutiert werden. Sehr nützlich kann auch de.sci.electronics FAQ & Linklist sein.
Zum Thema...
Diesmal geht es um das Thema Rückfluss-Diode im Netzteil, speziell wenn das Netzteil zum Laden eines Akku dient. Dabei besteht generell eine Unsicherheit, ob ein Netzteil oder Netzgerät sich auch als Ladegerät für Akkus eignet oder nicht. Die dümmste Antwort, diesbezüglich in einem Forum, lautet: "Ein Labornetzgerät ist kein Ladegerät!". Ein Labornetzgerät, das zusätzlich zur Einstellung der Ausgangsspannung auch eine einstellbare Strombegrenzung aufweist, kann durchaus dem Zweck dienen Akkus zu laden. Dazu eignen sich z.B. Blei(gel)-Akkus. Im entladenen Zustand entspricht der Ladestrom dem Wert der eingestellten Strombegrenzung bis die Ladespannung erreicht ist. In diesem Zustand wirkt ein niedriger Erhaltungsladestrom, der den Selbstentladungsstrom des Akku ausgleicht. Steht der Akku während des Ladens unter Last, stellt sich am Ende des Ladevorganges, ein Ladestrom ein, der sich aus der Summe des Last- und Erhaltungsladestrom ergibt.
Teilbild 1.1 zeigt ein Netzteil mit einem Festspannungsregler (LM7805)
mit +5 VDC zur Speisung einer digitalen Schaltung. CL hat einen Wert
1000 µF und C4, in der digitalen Schaltung, nur 100 µF. Wenn man
Schalter S öffnet, wird auf Grund dieses Kapazitätsunterschiedes kein
Rückstrom i fliessen. Dies würde aber nur dann zutreffen, wenn es nur
den Verbraucher dieser digitalen Schaltung gibt. Dem ist aber nicht so,
weil, direkt angeschlossen parallel zu CL, ein Ventilator Strom zieht.
Im Augenblick des Abschaltens mit S, kann der Ventilator CL so schnell
entladen, dass ohne die Rückfluss-Diode D1 auch ein Entladestrom von C4
in den Ausgang des LM7805 fliesst. Dies würde den LM7805 mit hoher
Wahrscheinlichkeit zerstören, gemäss meiner praktischen Erfahrung. Die
Rückfluss-Diode D1 verhindert dies wirksam. Der Rückstrom i fliesst von
Ua über D1 ebenfalls zum Ventilator, daher I+i.
Diese beiden Teilbilder in Bild 1 stammen aus dem Elektronik-Minikurs:
- Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und eine einfache Akku-Ladeschaltung mit LM317LZ
Man beachte mit Bild 3a das Kapitel "Warum ist der Rückstrom so
schädlich?". Hier wird an Beispielen mit einem einfachen
Spannungsstabilisator mittels Zenerdiode und Transistor und dem Teil des
Innenlebens des berühmten Spannungsreglers LM78xx (LM7805) gezeigt, wo
der Rückstrom i fliesst, wenn keine Rückfluss-Diode (D1) im Einsatz ist.
Die spezielle Ladeschaltung in Teilbild 1.2 hier, findet man im selben
Elektronik-Minikurs in Bild 10 mit der zugehörigen Beschreibung im
Kapitel "Akku-Ladegerät aus Stromquelle und Spannungsbegrenzung mit
zwei LM317L" mit einer Rückfluss-Diode über beide
LM317-Spannungsregler-IC. Wenn hier die Netzspannung unterbrochen wird,
entladet sich der Akku über die LED und R2 in Serie mit R3 nach GND,
wobei auch ein Teilstrom über IC:B zum R3 nach GND fliesst. In
Verbindung mit IC:A fliesst kein Rückstrom, weil IC:A keine Verbindung
mit GND aufweist. Über D2 fliesst kurzzeitig ein Strom vom Akku bis die
Spannung an C1 einen Wert hat der etwa 0.7 VDC unter +Ub liegt. Darf
nach dem Ausschalten der 230VAC-Netzspannung kein Strom aus dem Akku
rückfliessen, muss die Verbindung vom Ausgang des IC:B nach +Ub
elektronisch mit möglichst niedriger Verlustspannung unterbrochen
werden. Bei meiner Anwendung habe ich diese Schaltung in einem
Steckernetzteil eingebaut und der Akku befindet sich in einem externen
Mini-Radioempfänger.
Da gibt es dieses Problem nicht. Wozu es D3 in Serie zur LED braucht,
liest man im Minikurs.
Rückfluss-Diode in Hochstrom-Netzteil: Bild 2 zeigt das sehr
vereinfachte Schaltbild eines Netzteiles mit regulierbarer
Ausgangsspannung (Potmter P1) und regulierbarem Ausgangsstrom (Potmeter
P2). Ein solches Netzteil eignet sich sehr gut zum Laden von
Blei(Gel)akkus. Man stellt die Ausgangsspannung auf die
Lade-Nennspannung des Akku ein und den Ladestrom auf den zulässigen
Wert, gemäss Angaben des Akku-Datenblattes. Ist dieser Strom höher als
der Maximalstrom des Netzgerätes, kann man diesen auf den Maximalwert
einstellen. Der Ladestrom bleibt konstant bis beinahe die
Lade-Nennspannung des Akku erreicht ist. Danach geht es retaiv schnell.
Der Ladestrom sinkt bis zu einem niedrigen Wert, den man als den
Ladeerhaltungsstrom bezeichnet. Soviel zur prinzipiellen Erklärung des
Ladevorganges.
Jetzt zur Rückfluss-Diode D1. Dieses Beispiel-Netzgerät liefert einen
maximalen Strom von 5 A. Dem entstprechend ist der Brückengleichrichter
dimensioniert. Es stellt sich die Frage, welchen Strom muss D1, die
Rückfluss-Diode, aushalten? Öffnet man den Schalter S, entladet sich der
ELKO C1, +Ug (g = Gleichrichter) sinkt und erreicht dabei eine Spannung
die etwa 0.7 VDC unter +Ub (Akkuspannung) liegt. Durch die Diode D1
fliesst ein sehr niedriger Strom über R1 zur Bandgap-Referenzdiode BG und
direkt in den positiven Anschluss der Betriebsspannung des
Regelverstärkers OA (OpAmp). Es passt eine übliche 1A-Diode der Serie
1N400x, hier geeignet 1N4002. Eine Kleinsignaldiode, wie z.B. 1N914,
würde prinzipiell genügen, aber mir ist es dabei nicht ganz geheuer...
Notwendiger Test: Ist S ausgeschaltet, könnte, wenn eine
Darlingtonstufe T zum Einsatz kommt, trotz der Rückfluss-Diode D1, durch
die zwei Emitter-Basis-Strecken ein kleiner Strom durch R2 in die
Verstärkerschaltung OA fliessen. Dieser Strom wäre im unteren mA-Bereich
und hätte so keinen schädlichen Einfluss. Will man auf Nummer sicher
gehen, kann man dieses Problem mit D2 in Serie zu R2 beseitigen. Da gibt
es noch die Verbindung von der Basis des Darlington T zum Block
"STROMBEGRENZUNG-SCHALTUNG". Während des Ladevorganges fliesst ein Teil
des Stromes vom Ausgang des Regelverstärkers OA zur
"STROMBEGRENZUNG-SCHALTUNG" (I2). Dieser Strom fliesst ab in Richtung
GND. Dies jedoch nur, wenn ein Strom von +Ug, via T über den
Shuntwiderstand R3 nach +Ub fliesst und dieser ein Transistor steuert,
der I2 nach GND erst ermöglicht. Im ausgeschalteten Zustand von S ist
dies nicht der Fall. Es kann kein I2-Strom fliessen. Wäre anstelle des
Darlington T ein Leistungs-MOSFET im Einsatz, gibt es dieses eventuelle
Problem sicher nicht, weil zwischen Drain oder Source nach Gate kein
Strom fliessen kann, wenn die zulässigen Maximal-Sperrspannungen
diesbezüglich eingehalten werden.
Will man ein gekauftes Netzgerät oder Netzteil zum Akkuladen einsetzen,
sollte man unbedingt die Schaltung und das Layout des Produktes haben.
Ein solches Netzteil,das bei maximal +15 VDC maximal 4 Ampere liefert,
ist dieses
Produkt von ELV (Juni-2016).
Schaltung und Layout gibt es in der Bedienanleitung zum Herunterladen.
Hier eine GIF-Kopie der
Schaltung,
um zu zeigen, wo die Rückfluss-Diode eingebaut werden müsste. Siehe die
rote Diode und die rote Verbindung. Die Grundstruktur dieser Schaltung
entspricht der in Bild 2. Als Leistungssteller dienen zwei quasi
parallel geschaltete Darlingtons (TIP142). Quasi, weil mit den dafür
notwendigen Emitterkreis-Widerständen, die gleichzeitig als
Shuntwiderstände zur Einstellung der Strombegrenzung dienen. Die (rote)
Rückfluss-Diode leitet, wenn die positive Ausgangsspannung an ST8
grösser ist, als die DC-Spannung am Glättungs-Elko C12 (4700µF), im
ausgeschalteten Zustand des Trafo-Primärkreises.
Ich denke, das sollte funktionieren. Da man jedoch nicht ganz sicher
sein kann, sollte man vorsichtig den Zustand des Rückflusses prüfen. Es
empfiehlt sich, im ausgeschalteten Zustand des Trafo-Primärkreises, am
Ausgang mit einem andern Netzteil mit einem zwischengeschalteten
Vorwiderstand im unteren k-Ohm-Bereich (oder etwas weniger) die Spannung
anzulegen, langsam hochfahren und über dem Vorwiderstand die Spannung
messen. Diese müsste durch die Ladung von C12 über die (rote) Diode
kontinuierlich kleiner werden. Wenn nicht, muss man die
Schaltungsdetails genauer unter die Lupe nehmen. Das Nichtfunktionieren
wäre seltsam, weil an den T2/T3-Kollektoren nichts Weiteres
angeschlossen ist als die Gleichrichter-Elko-Schaltung. Die
Kollektor-Basis-Dioden in T2 und T3 sperren mit der angegebenen
Sperrspannung im Datenblatt.
Thomas Schaerer, 07.06.2016