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5/16/2018 Li-Ion Li-Pol Ladeger t - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/li-ion-li-pol-ladegeraet 1/4
1ELVjournal 2/05
Lithium-Ionen/Lithium-Polymer-Ladegerät
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
Platinenabmessungen: ......66 x 49 mm
Bau- und Bedienungsanleiung
Best.-Nr.: 62118Version 1.0,
Stand: März 2005
5/16/2018 Li-Ion Li-Pol Ladeger t - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/li-ion-li-pol-ladegeraet 2/4
2 ELVjournal 2/05
Bau- und Bedienungsanleitung
BATTERY
INSERTION
OR SHDN HIGH
TRANSITION TO VOLTAGE MODE
(APPROX 85 % CHARGE)
FULL-CHARGE TIMER TIMES OUT OR
BATTERY CURRENT
DROPS TO C/10
(APPROX 95 % CHARGE)
TOP-OFF TIMER
TIMES OUT,
END OF ALL
CHARGE FUNCTIONS
FAST-
CHARGE
STATE
FULL-
CHARGE
STATE
TOP-OFF
STATE DONE
BATTERY
CURRENTCHARGE
I=1C
BATTERY
VOLTAGE
OPEN-
DRAIN
LOW
FULLCHG
OUTPUT OPEN-
DRAIN
LOW
FASTCHG
OUTPUT
Bild 1: Interne Funktions-abläufe des MAX 1758
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
CSSP
CSSN
CS
BATT
ISETIN
ISETOUT
DCIN
VL
REF
CCV
CCI
CCS
BST
HSD
FASTCHG
FULLCHG
FAULT
TIMER 1
TIMER 2
THM
CELL
VADJ
CSS
LEVEL SHIFT
AND
GAIN OF 10
ON
CSI
LEVEL SHIFT
AND
GAIN OF 7
ON
5,4V
REGULATOR
INTERNAL
REFERENCE
LEVEL
SHIFT
+1
+1
GMS
GMI
GMV
3Rx
DRIVER
R
C S
3Rx
R x
R x
R
2
R
CNTRL
LOGIC
R2=R(2N-1)WHERE
N=CELL NUMBER
TO BATT
9R R
R
M I N
A N D C L A M P
SUMMING
COMPARATOR
BLOCK
ON
DRIVER
OSCILLATOR,
SM, TIMERS
THERM CONTROL
TEST CIRCUITRY
TO BATTENABLE
LX
PGND
TO REF
TO REF
BDIV
+1
V / I M O D E
REF/2=
ZERO
CURRENT
BATTERY
INSERTION
OR SHDN HIGH
TRANSITION TO
VOLTAGE MODE
(APPROX 85 % CHARGE)
FULL-CHARGE TIMER
TIMES OUT ORBATTERY CURRENT
DROPS TO C/10
(APPROX 95 % CHARGE)
TOP-OFF TIMER
TIMES OUT,
END OF ALL
CHARGE FUNCTIONS
FAST-
CHARGE
STATE
FULL-
CHARGE
STATE
TOP-OFF
STATE DONE
BATTERY
CURRENTCHARGE
I=1C
BATTERY
VOLTAGE
OPEN-
DRAIN
LOW
FULLCHG
OUTPUT OPEN-
DRAIN
LOW
FASTCHG
OUTPUT
5/16/2018 Li-Ion Li-Pol Ladeger t - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/li-ion-li-pol-ladegeraet 3/4
3ELVjournal 2/05
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.
Der Eingangsstrom des Schaltreglers
Bild 3: Schaltbild des Lademoduls LiPo 4
ST1
ST2
63V22u
C11 +
63V22u
C12 +
25V100u
C18 +
SMD100n
C3
SMD100n
C1
SMD100n
C17
SMD100n
C16
SMD100n
C5
SMD1n
C10
63V4u7
C14 +
10K
R1
10K
R6
1K
R14
1KR15
1K
R18
100KR8
1 0 0 K
R 1 1
47KR7
390KR9
4R7
R2
4R7R5
3mm,rund,rot
D73mm,rund,gelb
D5
321J3
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2 1
MAX1758
IC1
TIMER2
TIMER1
/SHDN
CELL
VADJ
ISETIN
ISETOUT
REF
CCV
CCS
CCI
THM
GND
/FAULT
/FASTCHG
/FULLCHG
BATT
CS
PGND
VL
BST
LX
LX
HSD
HSD
CSSN
CSSP
DCIN
ST3
ST4
100nSMD
C7
100nSMD
C8
SMD220n
C13
SMD100n
C2
VL
100n
SMD
C6
SMD1u
C15
1 0 0 K
R 1 7
100K
R10
100K
R13
SMD1n
C19
SMD1n
C20
VL
VL
87
65
43
21
J1
87
65
43
21
J2
3mm,rund,gruen
D6
D2
LL4148
D1
LL4148
L1
2 2 u H
C4
40V1m
+
R 4
1 0 0 m
R 3
1 0 0 m
VL
D3
30BQ100
D4
30BQ100
SI1
Sicherung1,6AT
R 1 6
6 8 K
100nSMD
C9
R 1 2
2 7 0 K
L i P o
L i I o
Fehler
I-Laden
U-Laden
4321
Zellenzahl
Strom
0,3A
1,5A
0,75A1A
8-28VDC
AKKU
Eingangsstrombegrenzung
Speicher-drossel
5/16/2018 Li-Ion Li-Pol Ladeger t - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/li-ion-li-pol-ladegeraet 4/4
4 ELVjournal 2/05
Ansicht der fertig bestücktenPlatine mit zugehörigemBestückungsplan
Widerstände:0,1 ........................................ R3, R44,7 /SMD/0805 ..................... R2, R51 k /SMD/0805 ......... R14, R15, R18
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
Kondensatoren:1 nF/SMD/0805.......... C10, C19, C20100 nF/SMD/0805.... C1–C3, C5–C9,
C16, C17220 nF/SMD/0805 ........................C131 µF/SMD/1206 ...........................C154,7 µF/63 V ..................................C1422 µF/63 V/105 °C .............. C11, C12100 µF/25 V/105 °C .....................C181000 µF/40 V .................................C4
Halbleiter:MAX1758/SMD ........................... IC1LL4148 ................................... D1, D230BQ100/SMD ...................... D3, D4
LED, 3 mm, Gelb .......................... D5LED, 3 mm, Grün.......................... D6LED, 3 mm, Rot ............................ D7
Sonstiges:Drosselspule 22 µH/2,5 A/SMD .... L1Lötstift mit Lötöse ............... ST1–ST4Stiftleiste, 2 x 4-polig, gerade,
print ........................................ J1, J2Stiftleiste, 1 x 3-polig, gerade,
print ..............................................J3Jumper ....................................... J1–J3Sicherung, 1,6 A, träge ..................SI1Platinensicherungshalter
(2 Hälften), print ........................SI11 BEC-Buchsenkabel
Stückliste: Lithium-Ionen-Lademodul (4 Zellen) LiPo 4
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.
Bau- und Bedienungsanleitung
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