1 ELVjournal 2/05 Lithium-Ionen/Lithium-Polymer-Ladegerät für 1 bis 4 Zellen Die Ladesch altung ist wah lweise für Li thium-Ionen- oder L ithium-Polymer -Akkus konfigurierba r, wobei ein bis v ier Zellen mit bi s zu 1,5 A geladen werden können . Allgemeines Aufgrund der hohen Energiedichte bei geringem Gewicht haben Lithium-Akkus schnell weite Anwendungsfelder erobert. Besonders in vielen Modellbaubereichen kommt es auf kompakte Abmessungen und geringes Gewicht an. Zum Laden von Lithium-Akkus ist eine spezielle Ladetechnik, die auf den entspre- chenden Akku-Typ abgestimmt ist, zwin- gend erforderlich. Besonders die Lade- schluss-Spannung muss mit hoher Präzisi- on (±1 %) eingehalten werden. Die Zellenspannung beträgt 3,6 V bei Lithium-Ionen-Akkus und 3,7 V bei Lithi- um-Polymer-Akkus, während die zugehö- rigen Ladeschluss-Spannungen mit 4,1 V und 4,2 V pro Zelle spezifiziert sind. Die Ladung erfolgt nach der Strom-Span nungs- Kennlinie, d. h. es wird bis zum Erreichen der Ladeschluss-Spannung mit konstan- tem Strom und danach mit konstanter Span- nung geladen. Lithium-Akkus gelten als voll geladen, wenn die Stromaufnahme auf einen Wert sinkt, der 10 % der Nennkapazität ent- spricht. Eine Tiefentladung ist bei Lithium-Ak- kus unbedingt zu vermeiden, und weit ent- ladene Zellen dürfen bis zur Entladeschluss- Spannung von ca. 2,5 V nur mit geringem Strom (I/10) beaufschlagt werden. Technische Daten: LiPo 4 Akku-Technologien:Lithium-Polymer, Lithium-Ionen Zellen zahl: ....... einstellbar vo n 1 bis 4 Ladeverfahren: .................................... Strom-/Spannungskurve Lades trom:..................... 0,3 A; 0,75 A 1,0 A; 1,5 A LED-An zeige n: ..... I-Lade n, U- Laden, FehlerLadee ndstuf e: ........ PWM-S tep-do wn- SchaltreglerVorlad en, Na chlad en: ..... I = 10 % d es ausgewählten Stromes Eingan gsspa nnung: ..... 8 V bis 2 8 VDC Platin enabmessun gen: ......66 x 49 mm Bau- und Bedienun gsanleiung Best.-Nr.: 62118 Version 1.0, Stand: März 2005
für 1 bis 4 Zellen Die Ladeschaltung ist wahlweise für Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus konfigurierbar, wobei ein bis vier Zellen mit bis zu 1,5 A geladen werden können.
Allgemeines
Aufgrund der hohen Energiedichte beigeringem Gewicht haben Lithium-Akkusschnell weite Anwendungsfelder erobert.Besonders in vielen Modellbaubereichenkommt es auf kompakte Abmessungen undgeringes Gewicht an.
Zum Laden von Lithium-Akkus ist einespezielle Ladetechnik, die auf den entspre-chenden Akku-Typ abgestimmt ist, zwin-
gend erforderlich. Besonders die Lade-schluss-Spannung muss mit hoher Präzisi-on (±1 %) eingehalten werden.
Die Zellenspannung beträgt 3,6 V beiLithium-Ionen-Akkus und 3,7 V bei Lithi-
um-Polymer-Akkus, während die zugehö-rigen Ladeschluss-Spannungen mit 4,1 Vund 4,2 V pro Zelle spezifiziert sind. DieLadung erfolgt nach der Strom-Spannungs-Kennlinie, d. h. es wird bis zum Erreichender Ladeschluss-Spannung mit konstan-tem Strom und danach mit konstanter Span-nung geladen.
Lithium-Akkus gelten als voll geladen,wenn die Stromaufnahme auf einen Wertsinkt, der 10 % der Nennkapazität ent-spricht.
Eine Tiefentladung ist bei Lithium-Ak-kus unbedingt zu vermeiden, und weit ent-ladene Zellen dürfen bis zur Entladeschluss-Spannung von ca. 2,5 V nur mit geringemStrom (I/10) beaufschlagt werden.
Technische Daten: LiPo 4
Akku-Technologien:Lithium-Polymer,Lithium-Ionen
Zellenzahl: ....... einstellbar von 1 bis 4Ladeverfahren: ....................................
Strom-/SpannungskurveLadestrom:..................... 0,3 A; 0,75 A
1,0 A; 1,5 ALED-Anzeigen: ..... I-Laden, U-Laden,
Fehler Ladeendstufe: ........ PWM-Step-down-
Schaltregler Vorladen, Nachladen: ..... I = 10 % des
ausgewählten StromesEingangsspannung: ..... 8 V bis 28 VDC
Besondere Anforderungen werden andas Konfigurieren von Lithium-Akku-Packs gestellt. Nur selektierte Zellen mit
absolut gleicher Kapazität und gleichemLadezustand dürfen in Reihe geschaltetwerden. Steht die dazu erforderliche Mess-technik nicht zur Verfügung, sollte manausschließlich auf fertig konfektionierteAkku-Packs zurückgreifen, die werkseitigentsprechend ausgemessen sind.
Die hier vorgestellte Ladeschaltung ba-siert auf einem hochintegrierten Schalt-kreis, der alle Stufen, inklusive Step-down-Schaltregler, zum Aufbau eines universel-len Lademoduls für Lithium-Akkus ent-hält. Da extern nur noch wenige Bauteileerforderlich sind, konnte eine sehr kom-
pakte Schaltung realisiert werden. DieAbmessungen der Leiterplatte betragen nur 66 x 49 mm.
Je nach zu ladendem Akku (Zellenzahl)ist eine Eingangsgleichspannung zwischen8 V und 28 V erforderlich.
Über Codierstecker wird die Zellenzahl,der Ladestrom (einstellbar von 0,3 A bis1,5 A in vier Stufen) und die Akku-Tech-nologie (Lithium-Ionen oder Lithium-Po-lymer) konfiguriert. Ausgangsseitig ist dasModul zum Anschluss des zu ladendenAkkus mit einem BEC-Buchsenkabel aus-
gestattet, wodurch auch der Verpolungs-schutz sichergestellt ist.
Grundsätzlich ist zuerst der Akku bzw.der Akku-Pack an die Ladeschaltung anzu-schließen und dann die Betriebsspannung Bild 2: Ansicht einer Ladesequenz des MAX 1758
anzulegen. Je nach Ladezustand des ange-schlossenen Akkus leuchtet dann die gelbeLade-Kontroll-LED für Stromladen oder
die grüne LED für Spannungsladen, d. h.wenn bereits die Ladeschluss-Spannungerreicht ist, der Akku aber noch einen Stromaufnimmt, der über 10 % des eingestellten
Stromwertes liegt. Keine LED leuchtet,wenn der Akku voll geladen ist, d. h. dieStromaufnahme unter 10 % des eingestell-
ten Stromwertes gesunken ist.Eine weitere LED dient zur Fehleran-
zeige, wobei ein Fehler erkannt wird, wennsich nicht innerhalb von 7,5 Minuten nach
Die weiteren Kondensatoren und Elkosim Bereich des Schaltreglers dienen zur Pufferung und zur Störunterdrückung.
Aus der Versorgungsspannung wird in-
tern eine stabilisierte Spannung von 5,4 Vgewonnen, die an Pin 1 zur Verfügungsteht und mit C 14 gepuffert wird.
Eine genaue Referenzspannung von4,2 V steht an Pin 5 des Bausteins zur Verfügung und wird mit C 15 gepuffert.
Wie bereits erwähnt, ist der Ladecont-roller MAX 1758 zur Ladung von 1 bis 4 inReihe geschalteten Zellen konzipiert. DieAuswahl erfolgt mit Hilfe des Codier-steckers J 2.
Zur genauen Spannungsvorgabe ist dieZellenspannung an Pin 7 im Bereich von4 V bis 4,4 V veränderbar. Dadurch bestehtdie Möglichkeit, mit Hilfe von J 3 dieSchaltung wahlweise zur Ladung von Li-thium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Ak-kus zu konfigurieren.
Der maximale Ladestrom des Modulswird durch eine Spannung an Pin 3 desChips vorgegeben. In unserer Schaltungsind mit Hilfe von J 1 vier unterschiedlicheLadeströme selektierbar, wobei einfach der Widerstandsteiler zwischen der Referenz-spannung und der Schaltungsmasse verän-dert wird. Nach folgender einfacher For-mel ist der Ladestrom zu berechnen:
I L = 1,5 AUISETout ( URef )
Insgesamt verfügt der MAX 1758 über
erzeugt an den beiden parallel geschalte-ten Widerständen R 3 und R 4 einen Span-nungsabfall, der über R 2, R 5 zur Ein-gangs-Stromregelung auf Pin 26 und Pin 27
des Bausteins gegeben wird. Mit Hilfe desSpannungsteilers R 10 und R 12 erfolgt dieVorgabe der Eingangsstrombegrenzung.Bei Erreichen des maximalen Eingangs-stromes wird der Ladestrom entsprechendheruntergefahren.
Der integrierte PWM-Controller steuertden „High-side MOS-FET“, dessen Drain-Anschluss an Pin 9, Pin 10 und dessenSource-Anschluss an Pin 19 und Pin 20extern zugänglich ist. Je nach Anforderungerfolgt durch Steuerung des Puls-Pausen-Verhältnisses eine Begrenzung des Lade-stromes oder der Ladespannung auf denvorgegebenen Wert.
Bei durchgeschaltetem FET fließt der Strom über die Speicherdrossel L 1 undden zwischen Pin 21 und Pin 8 im Chipintegrierten Shunt-Widerstand zum Aus-gang (ST 3) sowie in den Pufferelko C 18.Aufgrund der in L 1 gespeicherten Energie
bleibt der Stromfluss bei gesperrtem FETüber die Schottky-Diode D 4 aufrechter-halten. Das Puls-Pausen-Verhältnis be-stimmt letztendlich die Ausgangsspannung
bzw. den Ausgangsstrom der Endstufe.Die Messung des Ladestromes erfolgt
mit Hilfe des zwischen Pin 21 und Pin 8integrierten Shunt-Widerstandes, und dieErfassung der Ausgangsspannung erfolgtebenfalls direkt am Ausgang des Regler-
bausteins (Pin 8).
Ladebeginn eine Zellenspannung von mehr als 2,5 V aufbaut oder der Übergang vonStromladung auf Spannungsladung nichtinnerhalb von 90 Minuten erfolgt.
Schaltung
Die Schaltung unseres Lithium-Lade-moduls basiert auf einem hochintegriertenLadechip von Maxim, der alle aktivenBaugruppen inklusive PWM-Step-down-Wandler enthält. Die erforderliche externeBeschaltung beschränkt sich auf ein Mini-mum, da selbst die Leistungsendstufe desSchaltreglers im Baustein integriert ist.Abbildung 1 zeigt das interne Funktions-diagramm des MAX 1758. Eine typische,automatisch ablaufende Ladesequenz desMAX 1758 ist in Abbildung 2 zu sehen.
Der integrierte PWM-Schaltregler ar- beitet mit 300 kHz Schaltfrequenz, so dassauch eine recht kleine SMD-Speicherdros-sel ausreicht. Das gesamte Schaltbild desLademoduls ist in Abbildung 3 dargestellt.Je nach Zellenzahl des zu ladenden Akkusist an ST 1 und ST 2 eine Eingangs-Gleich-spannung zwischen 8 V und 28 V anzule-gen. Diese Spannung gelangt über D 1 auf Pin 28 des MAX 1758 (IC 1) zur Versor-gung der internen Steuerelektronik undüber D 3 auf den in IC 1 integrierten Leis-
tungs-Schaltregler. C 4 nimmt eine Puffe-rung der Eingangsspannung vor, und dieSMD-Keramik-Kondensatoren C 3, C 5dienen zur hochfrequenten Störabblockung.
10 k /SMD/0805 .................... R1, R647 k /SMD/0805 ...........................R768 k /SMD/0805 .........................R16100 k /SMD/0805 ...... R8, R10, R11,
R13, R17270 k /SMD/0805 .......................R12390 k /SMD/0805 .........................R9
vier integrierte Sicherheitstimer, derenZeiten mit Hilfe der Kondensatoren C 19,C 20 an Pin 12 und Pin 13 veränderbar sind.Timer 1 an Pin 12 bestimmt dabei diemaximale Vorladezeit, die maximale Zeitfür die Spannungsladung und die Nachla-dezeit, während Timer 2 die Stromladezeit
begrenzt.Die Zeiten verändern sich proportional
mit den Kapazitäten an Pin 12 und Pin 13,wobei 1 nF als Standardwert gilt. Bei Stan-dardkapazitätswerten an den Timereingän-gen beträgt die Vorladezeit 7,5 Min., dieStromladezeit max. 90 Min., die Span-nungsladung ebenfalls 90 Min., und die
Nachladezeit ist auf 45 Min. begrenzt.
Nachbau
Der praktische Aufbau ist recht einfach,
da die Leiterplatte bereits mit vorbestück-ten SMD-Komponenten geliefert wird. Der Ladebaustein ist aufgrund des geringenPin-Abstandes auch kaum von Hand zu
verarbeiten. Die einzigen von Hand aufzu-lötenden SMD-Teile sind die Speicher-drossel L 1 und die Schottky-Dioden D 3und D 4. Diese Bauteile sind exakt auf dieentsprechenden Lötpads zu positionierenund dann sorgfältig mit ausreichend Löt-zinn festzusetzen.
Vier Lötstifte mit Öse sind dann dieersten zu bestückenden konventionellenBauteile. Diese werden stramm in diezugehörigen Platinenbohrungen gepresstund ebenfalls mit ausreichend Lötzinnverlötet.
Danach werden die Elektrolyt-Konden-satoren polaritätsrichtig eingesetzt undverlötet. Vorsicht! Falsch gepolte Elkoskönnen explodieren. Elkos sind üblicher-weise am Minuspol gekennzeichnet.
Nach Abschneiden der überstehendenDrahtenden an der Platinenunterseite wer-
den die Anschlüsse der Widerstände R 3und R 4 abgewinkelt, durch die zugehöri-gen Platinenbohrungen gesteckt und sorg-fältig verlötet. Auch hier sind die überste-
henden Drahtenden oberhalb der Lötstel-len abzuschneiden.
Die beiden Hälften des Platinensiche-rungshalters werden gleich nach dem Ein-löten mit der dazugehörigen Feinsiche-rung bestückt.
Nun sind die Stiftleisten zur Aufnahmeder Codierstecker J 1 bis J 3 einzulöten.Dabei ist darauf zu achten, dass die Stift-leisten jeweils mit dem Kunststoffsteg planauf der Platinenoberfläche aufliegen. Als-dann sind die drei Codierstecker entspre-chend der gewünschten Konfiguration zusetzen.
Zum Anschluss der Akkus dient ein BEC-Buchsenkabel, dessen Anschlussleitungenzuerst zur Zugentlastung von oben durchdie zugehörigen Platinenbohrungen zufädeln sind (siehe Platinenfoto). Die roteLeitung wird danach an ST 3 und die
schwarze Leitung an ST 4 angelötet.Die Einbauhöhe und Position der Leucht-
dioden richtet sich nach den individuellenWünschen und dem eventuellen Einbau inein Gehäuse. Bei den LEDs ist die Polaritätam Bauteil durch einen längeren Anoden-anschluss (+) gekennzeichnet.
Die eingangsseitige unstabilisierte Ver-sorgungsspannung ist mit dem Pluspol anST 1 und mit dem Minuspol an ST 2anzuschließen.
Nachdem die Bestückungsarbeiten soweit beendet sind, sollte eine gründlicheÜberprüfung hinsichtlich Löt- und Bestü-ckungsfehlern erfolgen.
Da Lithium-Akkus sehr empfindlichsind, wird zur ersten Inbetriebnahme dieEingangsspannung angelegt, jedoch nochkein Akku am Ladeausgang angeschlos-sen. Am Ladeausgang ist die Ladespan-nung entsprechend der jeweiligen Zellen-zahl zu überprüfen. Erst wenn diese Prü-fung zur Zufriedenheit ausgefallen ist, darf der entsprechende Akku mit in Reihe ge-schaltetem Amperemeter zur Überprüfungdes Ladestromes angeschlossen werden.Wenn auch dieser Test positiv verlaufen
ist, steht dem Einsatz dieses interessantenLademoduls nichts mehr entgegen. Dievom entsprechenden Akku-Hersteller emp-fohlenen Sicherheitshinweise sind grund-sätzlich zu beachten.
