Lithium-Ionen Akku der Digital Ixus mit dem Fahrraddynamo aufladen

Aufgabe der Ladeschaltung ist es, einen max. Ladestrom von 350 mA bereitzustellen. Diese Begrenzung dient zum Schutz des Akkus und besseren Abschätzen der zum vollständigen Aufladen notwendigen Fahrrad-km. Die Praxis hat gezeigt, daß er mit diesem Ladestrom nach etwa 40-60 km voll aufgeladen ist. Eine LED zur Ladekontrolle zeigt an, ob ein entsprechender Ladestrom durch den Akku fließt. Es gibt keinen automatischen Mechanismus zum Beenden des Ladevorgangs. Die Ladezeit muß unbedingt verantwortungsvoll selbst im Auge gehalten werden! (Aber wer fährt schon gern mit Dynamo, wenn's auch ohne geht...?)

Die Strombegrenzung wird durch einen als Konstantstromquelle geschalteten Feldeffekttransistor (FET) erreicht. Die Kennwerte des FET sind einer starken Serienstreuung unterworfen. Aus diesem Grund und zur Einstellung des gewünschten Ladestroms wird zunächst ein regelbarer Widerstand Rs zum Abgleich verwendet, der später (wie in der Ausführung auf den Photos) durch entsprechende Metallschicht-Widerstände ersetzt werden kann.

Der FET benötigt am Steuereingang (Gate) eine über den gesamten Bereich der Versorgungsspannung möglichst konstante Steuerspannung oberhalb der max. "Gate Threshold Voltage" des FET von 2-4 V. Diese Steuerspannung wird durch eine Z-Diode mit 4.7 V bereitgestellt. Wegen der hohen Spannungsschwankungen des Dynamos wird die Spannung an der Z-Diode zusätzlich stabilisiert, indem sie nicht über einen Vorwiderstand sondern über einen ebenfalls als Konstantstromquelle geschalteten FET mit einem Strom von ca. 10 mA betrieben wird. Dieser kleinere FET besitzt eine andere Bauart, durch die er keine weitere Beschaltung benötigt. Die Stabilisierung der Spannung ist deshalb so wichtig, weil der Laststrom durch den Akku mit dem hohen Verstärkungsfaktor des FET auf Schwankungen der Steuerspannung reagiert.

Die Leuchtdiode (LED) zur Ladekontrolle wird parallel zu einem Widerstand im Lastzweig der Schaltung betrieben. Der Wert für diesen Widerstand wird durch den gewünschten Ladestrom und die Betriebsspannung der verwendeten LED bestimmt. Die Diode leuchtet nur, wenn wirklich ein Ladestrom in der gewünschten Größenordnung durch den Akku fließt.

Bauanleitung

Die Schaltung kann für private Zwecke unter folgenden Bedingungen nachgebaut werden:

Der Nachbau erfolgt auf eigene Gefahr: Die Autoren übernehmen keinerlei Garantie für die Funktionsfähigkeit oder die Verwendbarkeit nachgebauter Schaltungen. Die Autoren übernehmen keinerlei Haftung Für Personen- oder Sachschäden, die durch den Nachbau oder die Verwendung nachgebauter Schaltungen verursacht werden.

Den echten Bastlern mit der "Lizenz zum Löten" wird für einen Nachbau der obige Schaltplan und die Stückliste reichen. Für alle anderen gibt's unten eine Schritt-Für-Schritt-Anleitung.

Neben Lötkolben & Litze werden ein einfaches Universal-Netzteil mit ca. 500 mA und verschiedenen einstellbaren Spannungen sowie ein elektisches Meßgerät benötigt. (z.B. Conrad: Netzteilt PA5oo 3-12 V, 12 01 42 FH; Digital-Multimeter VC 555, 12 01 42 FH).

Am einfachsten zu bauen ist die 'Stick-Version' auf einem Stück Lochraster-Platine (Photo oben, kann später z.B. mit Heißkleber versiegelt werden). Die "Leiterbahnen" werden dabei durch die auf der Unterseite der Platine passend gekürzt und gebogenen Anschlußdrähte realisiert. Individuell zu lösen ist die Akku-Halterung. Natürlich kann man auch alles frei verdrahtet in ein Gehäuse bauen. Der Aufbau wird in vier Schritten durchgeführt:

1. Gleichrichtung
2. Steuerspannung stabilisieren
3. Leistungs FET und Kalibrierung
4. Ladekontrolle und Entladeschutz

Anpassungen für andere Akkus

Weil sicher nicht jeder Interessierte eine Digital Ixus sein Eigen nennt, wird abschliessend (ganz unten) auf die Möglichkeiten eingegangen, auch Lithium-Ionen Akkus mit anderen Kennwerten mit der Schaltung zu laden bzw. einige Bauteile der Schaltung an die Kennwerte anzupassen.

Bauanleitung Schritt 1: Gleichrichtung und Glättung der Versorgungsspannung

Am Anfang des Stick reservieren wir 2 Löcher für das stabile Eingangskabel vom Dynamo. Dahinter folgt der Gleichrichter in Brückenschaltung. Die 4 Schottky-Dioden werden aufgesetzt und wie im Plan gezeigt verbunden. Der Strich auf der Diode entspricht dem Strich im Bauteil-Symbol. Danach löten wir den Elko zur Glättung der Gleichspannung ein. Beim Anschluß unbedingt auf die Polung achten!

Wir kontrollieren nun den bisherigen Aufbau. Dazu schließen wir das Universal-Netzteil (kleine Spannung einstellen!) am Eingang an. Am Elko sollte sich nun mit dem Multimeter eine Gleichspannung messen lassen, die auch deutlich über der am Netzteil eingestellten Spannung liegen darf. Die Spannungerhöhung ergibt sich durch die Glättung und das unbelastete Netzteil (fast kein Stromfluß).

In der über 7ooo km getesteten Version verwendeten wir zusätzlich eine mittelschnelle 5oo mA Schmelzsicherung, die allen Geschwindigkeiten (und Erschütterungen) stand hielt (Ätna-Abfahrt incl). Wer (ganz ganz sicher gehen ;-) mag, kann sie direkt nach dem Gleichrichter einfügen.

Bauanleitung Schritt 2: Steuerspannung stabilisieren

Schaltung vom Netzteil trennen.

Es folgt der Transistor BF 245. Die Anschlüsse entsprechend der Skizze zuordnen und D mit "+" des Elkos verbinden. Die Anschlüsse G und S zusammenlegen und mit dem Ende der Zener-Diode verbinden, das mit dem Strich markiert ist (eine Z-Diode wird im Gegensatz zu normalen Dioden in Sperrichtung betrieben). Das andere Ende der Diode wird mit "-" des Elkos verbunden.

Wir kontrollieren die Spannung an der Z-Diode. Ab einer Spannungsseinstellung von ca. 4 V am Netzteil muß das Meßgerät immer etwa 4.7 V anzeigen. Wichtig ist, daß die Spannung auch bei höheren Einstellungen am Netzteil nicht mehr deutlich ansteigt.

Die Spannungseinstellung des Netzteils, bei der gerade schon 4,7 V an der Z-Diode meßbar ist, merken wir uns für die spätere Kalibrierung.

Bauanleitung Schritt 3: Leistungs FET und Kalibrierung des Ladestroms

Schaltung vom Netzteil trennen.

Den Transistor IRF 52o N mit Hilfe der Skizze 'identifizieren', auf der Platine einfügen und den Anschluß G an die bisherige Schaltung anbinden. Die beiden Kontakte des Spindel-Poti mit zwei Stücken Kabel verlängern und die Enden mit S und "-" verbinden. Nun den Keramik-Widerstand, der bei der Kalibrierung den Akku simuliert, mit dem Anschluß D und "+" verbinden.

Vor der Kalibrierung dem Transitor IRF 52o N einen Kühlkörper anschrauben und das Spindel-Poti auf eine mittlere Position einstellen. Am Netzteil die Spannung wählen, bei der an der Z-Diode gerade schon 4,7 V gemessen wurde.

Zur Kalibrierung muß die Spannung am Keramik-Widerstand auf 3,5 V eingestellt werden. Durch die mittlere Einstellung des Poti (ca. 5 Ohm) fließt momentan fast kein Strom durch den Test-Widerstand. Nun wird der Widerstand des Poti verringert, bis die gemessene Spannung 3,5 V beträgt. Die Einstellung sollte langsam vorgenommen werden, da der Strom plötzlich sehr schnell ansteigt.

Danach schalten wir das Netzteil auf höhere Spannungen (bis 12 V) und korrigieren die Einstellung nach, falls die Spannung zu sehr ansteigt (>3,7 V).

Schaltung vom Netzteil trennen.

Wir bauen den Poti wieder aus und messen den eingestellten Widerstand. Viele analoge Meßgeräte haben keinen Meßbereich mit ausreichender Genauigkeit für solch kleine Widerstandswerte. In diesem Fall bitten Sie Ihren Elektronik-Händler, den Wert mit dem Digital-Multimeter zu messen. Wenn kein passender Widerstand zu bekommen ist, bauen wir uns den nötigen Wert mit Reihen/Parallel-Schaltung aus den 1 Ohm Widerständen selber zusammen (siehe Abb.). Diese Widerstände werden nun anstelle des Poti auf die Platine gelötet.

Abschließend wird nochmal die Spannung am Keramik-Widerstand im Testbetrieb überprügft (ca. 3,5 V). Danach den Keramik-Widerstand wieder ausbauen.

Bauanleitung Schritt 4: Ladekontrolle und Entladeschutz

Schaltung vom Netzteil trennen.

Abschließend die Schottky-Diode (verhindert Entladung des Akku beim Anhalten), die LED (längeres Ende = "+") und den 5,6 Ohm Widerstand nach obiger Anordnung aufbauen und das Anschlußkabel (Polung beachten!) für den Akku anbringen.

Zur End-Kontrolle den Keramik-Widerstand anstelle des Akku anschließen. Die Spannung am "Akku" messen, während Sie die Spannung am Netzteil langsam hoch schalten. Die gemessene Spannung muß wieder ca. 3.5 V betragen und die LED dabei leuchten. Voila!

Sogar wenn Sie den Last-Wiederstand abklemmen und die Enden des Akku-Kabels zusammenhalten, wird nur der eingestellte Strom von 350 mA durch den "Kurzschuß" fließen. Dabei wird allerdings die für den Akku bestimmte elektrische Leistung im FET im wahrsten Sinne des Wortes "verbraten".

Nun kann der 3.7 V 68o mAh Akku angeschlossen werden. Sie können einen leeren Akku probehalber in 1,5 bis max. 2 Stunden aufladen.

Damit ist Ihre Schaltung für den Einsatz am Dynamo bereit. Viel Spass und Erfolg!

Anpassungen für Akkus mit anderen Kennwerten

Andere Akku Kapazität

Unsere Schaltung ist für den Lithium-Ionen Akku der Digital Ixus mit 3.7 V und 680 mAh ausgelegt. Für Akkus mit geringerer Kapazität sollte der Ladestrom reduziert werden. Für Akkus mit höherer Kapazität kann der Ladestrom angehoben werden. (Ein guter Dynamo schafft bei flotter Fahrt locker 500 mA oder mehr; daher kommt ja der ganze Aufwand mit der Strom-Begrenzung!) Als Anhaltspunkt kann ein Ladestrom von I = Kapazität / 2 h bei 2 Stunden effektiver Ladezeit verwendet werden.

Die für andere Ladeströme zur Kalibrierung notwendige Spannung am Keramik-Widerstand beträgt U = 10 Ohm * Ladestrom (bei uns: 3,5 V = 10 Ohm * 0,350 A).

In der Schaltung muß für einen anderen Ladestrom auch noch der Widerstand parallel zur Leuchtdiode angepaßt werden, damit diese beim gewünschten Ladestrom gerade eine ausreichende Spannung erhält. Der Widerstand kann mit R = 1,8 V / Ladestrom abgeschätzt werden. Es wird dann der nächst größere Wert der Widerstands-Normreihe verwendet (bei uns: 5,1 Ohm = 1,8 V / 0,350 A  => 5,6 Ohm).

Bei der Kalibrierung für höhere Ladeströme kann es vorkommen, daß der Widerstand Rs des Poti schon bei 0 Ohm angelangt ist, bevor der gewünschte Ladestrom erreicht wird. In diesem Fall kann eine Z-Diode mit einem höheren Spannungswert (5,1 V) verwendet werden. Das bringt mehr Strom-Reserve für die Kalibrierug aber auch ein etwas schlechteres Ansprechen der Schaltung bei langsamer Fahrt.

Andere Akku Spannung

Lithium-Ionen-Akkus mit der nächst höheren Nennspannung von 7,4 V können im Prinzip auch mit der Schaltung geladen werden, wenn der Dynamo (und der Radler) die notwendige Leistung erbringen kann. Dabei kann es ggf. notwendig sein, auf die Leuchtdiode und ihren parallelen Widerstand zu verzichten, weil diese fast 2 V von der verfügbaren Spannung benötigen, die in diesem Fall besonders knapp ist.

Andere Akku-Typen

Der Lithium-Ionen Typ zeigt keinen Memory-Effekt, muß also nicht ständig voll be- und entladen werden. Für die völlig unkontinuierliche Dynamo-Aufladung also bestens geeignet. Für andere Typen, wie z.B. Metall-Hydrid, liegen keine Erfahrungen vor. Die NiCd-Typen sind ungeeignet.

Kontakt

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