Im Fokus: Rückfluss-Diode im Netzteil (Akkuladeschaltung)

 

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