Elektronisches Ladegerät für Blei-Gel Akkus

Dies ist eine Anleitung zum Bau eines Ladegeräts für Blei-Gel Akkus für den Modellbau. Es werden nur leicht erhältliche Standard-Bauelemente verwendet und die kompletten Unterlagen zum Nachbau können kostenlos heruntergeladen werden.

Für den Antrieb meiner Schiffsmodelle verwende ich ausschließlich Blei-Akkus, denn sie sind preisgünstig, haben eine hohe Kapazität und eine lange Lebensdauer - wenn man sie richtig lädt. Die Schaltung kommt ohne Mikrocontroller aus, bietet aber dennoch einigen Komfort:

• UI-Ladeverfahren
• Kurzschlussfest
• Verpolungssicher
• Anzeige der Ladephasen über LED
• für 6 V oder 12 V Akkus verwendbar

UI-Ladeverfahren für Pb-Akkus

Einfache Ladegeräte ("Multilader") geben einen konstanten Strom ab. Damit kann man zwar Blei-Akkus laden, aber wenn sie voll geladen sind müssen sie unbedingt vom Ladegerät getrennt werden, sonst werden sie überladen, beginnen zu gasen und werden dauerhaft geschädigt. Ein Blei-Akku ist voll geladen, wenn an seinen Klemmen die Ladeschlussspannung gemessen werden kann (diese beträgt 2,35 V/Zelle, bei einem 12-V Akku also 13,8 V).

Blei-Akkus werden mit konstanter Spannung geladen und bestimmen ihren Ladestrom dabei selbst. Das Ladegerät muss nur dafür sorgen, dass am Ausgang die konstante Ladeschlussspannung anliegt. Der Anfangsladestrom muss außerdem begrenzt werden. In der Regel vertragen Blei-Akkus Anfangsladeströme von 0,4 C/h, bei einem 5,7 Ah Akku sind dies 2,88 A, bei einem kleinen Akku mit 1,3 Ah dagegen nur 520 mA. Auch die Leistung des Ladegeräts ist begrenzt, für große Ströme benötigt man dicke Netzteile und große Kühlkörper. Neben der konstanten Ausgangsspannung sollte das Ladegerät also über eine einstellbare Strombegrenzung verfügen.

Laden mit einem Labornetzgerät

Labornetzgeräte mit einstellbarer Strombegrenzung sind geeignet, Blei-Akkus zu laden. Die Ausgangsspannung wird auf die Ladeschlussspannung von 13,8 V und der Strom auf den Anfangsladestrom eingestellt. Nun kann der Akku (Plus an Plus und Minus an Minus) an das Netzgerät angeschlossen werden. Die Methode hat aber auch ein paar Nachteile: wird der Akku verpolt angeschlossen, könnte das Netzgerät beschädigt werden!  Auch im Falle eines Stromausfalls könnte das Netzgerät durch einen Rückstrom Schaden nehmen. Außerdem ist das Netzgerät für die nächsten Stunden nicht zum Basteln nutzbar.

Mit einem Gerät, das speziell für das Laden von Akkus konzipiert ist, lassen sich diese Gefahren und Nachteile vermeiden.

Ablauf des Ladevorgangs

Das hier vorgestellte Ladegerät lädt den Akku mit dem UI-Ladeverfahren: wird ein leerer Akku angeschlossen, fließt zunächst ein großer Ladestrom. Das UI-Ladeverfahren begrenzt in dieser Phase ("Hauptladen") den Strom auf den Anfangsladestrom. Je nach Ladezustand des Akkus bleibt dieser Wert mehr oder weniger lang konstant (I=const). Mit zunehmender Ladung steigt die Akkuspannung, das Ladegerät regelt den Strom zurück, die nunmehr konstante Ausgangsspannung (U=const) entspricht der Ladeschlussspannung ("Nachladen"). Ist der Akku schon fast voll geladen, fließt nur ein sehr kleiner Ladestrom. Der Ladestrom wird also mit der Zeit immer geringer und geht bis auf wenige mA zurück. Wird die Ladeschlussspannung auf Werte zwischen 13,6 V und 13,8 V eingestellt, kann der Akku bedenkenlos über eine lange Zeit am Ladegerät angeschlossen bleiben, ohne dass er überladen wird.

Man kann ein kleines 1 A Einbau-Amperemeter in den Ladestromkeis schalten, um den Ladestrom verfolgen zu können. Unbedingt notwendig ist dies aber nicht. Die beiden LEDs zeigen auch einige Informationen: während des Hauptladens (I=const) leuchten die gelbe und die blaue LED.

Verlischt die blaue LED ist der Akku zu ca. 80% geladen und befindet sich im Zustand des Nachladens (U=const).

Verlischt auch die gelbe LED (Ladestrom kleiner als ca. 30 mA), gilt der Akku als voll. Eine genaue Grenze kann man hier nicht angeben, der Restladestrom hängt von der Kapazität und dem Alter des Akkus ab. Bei älteren Akkus kann es sein, dass der Ladestrom diese Schwelle nie unterschreitet, die gelbe LED also nie ganz ausgeht.

Der Schaltplan - Oldies but Goodies

Die Schaltung kommt ausschließlich mit preisgünstigen Standard-Bauelementen aus, auf Spezial-ICs habe ich bewusst verzichtet.

Kern der Schaltung ist das Spannungsregler-IC µA 723. Dieser Typ preisgünstig, seit Jahrzehnten bewährt und leicht erhältlich.

Zur Stromversorgung verwendet man am besten ein Gleichspannungsnetzteil mit 18 V Ausgangsspannung und ca. 1 A Ausgangsstrom (die Angaben gelten für einen 12 V Akku). Es gibt fertige Steckernetzteile mit diesen Daten, ein (übrig gebliebenes) Laptop-Netzteil kommt u.U. auch in Betracht. Natürlich kann man auch Trafo, Gleichrichter und Siebelko verwenden, aber Netzspannung ist lebensgefährlich! Wer sich auskennt, kommt hier ohne weitere Angaben zurecht, alle anderen verwenden bitte ein fertiges Netzteil!

Die grüne LED4 zeigt an, dass die Betriebsspannung anliegt.

Q2 regelt den Ladestrom und braucht einen großen Kühlkörper. Mit R9/R10 lässt sich der Anfangsladestrom wählen. Hier ist ein Festwiderstand vorzusehen, je nach Leistungsfähigkeit des Netzteils und Kapazität des Akkus. Die beiden Widerstände sind parallel geschaltet und führen mit dem vorgeschlagenen Wert von 1,2 Ω zu einem max. Ladestrom von 1 A. Damit können Akkus ab einer Kapazität von 2,5 Ah geladen werden.

Bei 12 V-Akkus bleibt R19 unbestückt, die Ladeschlussspannung läßt sich mit dem Spindeltrimmer R17 dann auf genau 13,8 V einstellen.

Kurzschlussfestigkeit und der Schutz gegen Verpolung sind mit einem P-Kanal MOSFET  IRF 4905 und einem npn-Transistor realisiert. Nur wenn ein Akku richtig gepolt angeschlossen ist, schaltet der MOSFET durch und der Ladevorgang beginnt. Bei Verpolung leuchtet zusätzlich die rote LED (2 mA low-current Typ). Bei Kurzschluss sperrt der MOSFET und es fließt kein Strom. C3 sorgt dafür, dass Q3 gleich nach dem Einschalten kurzzeitig leitet und sich über T1 selbst leitend hält. Ohne den Kondensator C3 würde Q3 erst leitend, wenn ein Akku polrichtig an den Ausgang angeschlossen wird. D3 schützt die rote LED vor einer zu hohen Sperrspannung.

Die Anzeige der Ladephasen (Hauptladen und Nachladen) über LED wird über zwei Op-Amps (LM 358) realisiert, die als Komparator geschaltet sind. Für die Anzeige des Hauptladens mit Strombegrenzung wird die Ausgangsspannung mit einer über eine Zener-Diode stabilisierten Spannung verglichen. Sinkt die Ausgangsspannung gegenüber dem unbelasteten Wert ab, leuchtet die blaue LED auf.

Die Anzeige eines Ladestroms über 30 mA geschieht über R8, dessen resultierender Spannungsabfall einen pnp-Transistor zum Leiten bringt und der über R6 eine Spannung im Bereich der Höhe der Betriebsspannung zur Verfügung stellt. Diese wird mit einer Referenzspannung, erzeugt  mit einem aus R4/R5 gebildeten Spannungsteiler, verglichen. Sinkt der Ladestrom unter 30 mA, sperrt Q1, der invertierende Eingang des Komparators liegt auf höherem Potential als der nicht-invertierende Eingang und die gelbe LED verlischt.

Inbetriebnahme und Abgleich

Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung wird ein Voltmeter an den Ausgang des Ladegeräts angeschlossen und die Ladeschlussspannung wird mit R17 auf einen Wert zwischen 13,6 V…13,8 V eingestellt. Mit dieser Einstellung kann der Akku unbegrenzt am Ladegerät angeschlossen bleiben (Standby-Use).

Das zweite Poti R7 dient zur Einstellung der Schaltschwelle für die blaue LED. Das Poti wird bei unbelastetem Ausgang so eingestellt, dass die blaue LED gerade verlischt. Sinkt die Ausgangsspannung, bedingt durch die Strombegrenzung, ab, schaltet die blaue LED ein und zeigt so die Hauptladephase an. Ist die Ladeschlussspannung erreicht, erlischt die blaue LED, und die Nachladephase beginnt.

Jetzt kann ein Akku an das Gerät angeschlossen werden. Aus Sicherheitsgründen sollte man den ersten Ladevorgang mit einem Amperemeter im Ladestromkreis kontrollieren.

Aufpassen sollte man allerdings, wenn das Gerät ausgeschaltet wird und noch ein Akku angeschlossen ist: über den MOSFET fließt ein geringer Strom, der den Akku auf Dauer entladen kann (grüne und blaue LED leuchten). Vor dem Ausschalten des Geräts den Akku daher abklemmen.

Änderungen für 6 V-Akkus

Sollen Bleiakkus mit 3 Zellen (6 V) geladen werden, sind einige Änderungen an verschiedenen Bauteilen vorzunehmen. Die folgende Tabelle fasst dies zusammen:

Änderungen des maximalen Ladestroms

Je nach Akkukapazität und Leistungsfähigkeit des Netzteils kann der Ladestrom über R9/R10 verändert werden. Bitte darauf achten, dass Q2 ausreichend gekühlt wird! Bei Strömen über 1 A wird Q2 auf einen großen Kühlkörper geschraubt und mit einem 3-adrigen Anschlusskabel mit der Platine verbunden.

Auch mit geringen Ladeströmen können Akkus großer Kapazität geladen werden, der Ladevorgang dauert dann entsprechend länger.

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