Ein Bleiakku-Lader für 6V-Bleiakkus mit Mikrocontroller und LCD

So, oder so ähnlich, sehen Bleiakkus aus: alles hinter Plastik, nur oben zwei Kontakte. Das Plastik ist auch bitter nötig, denn in dem Plastik ist, neben einem halben Kilo Blei, auch ein Viertel Kilogramm Schwefelsäure eingepackt.

Nur, wie das Ding laden? Dazu kann kann einfach ein regelbares Netzteil auf 1,20 Ampere (für 12-Ah-Akkus) strombegrenzen und den Bleiakku dranstöpseln.

Dann hat man aber weder im Griff, ob das Teil nur teilentladen ist oder ganz leer. Und zuverlässig zehn Stunden Laden einhalten ist auch nicht jedermann's Sache. So kann ein schöner teurer Akku ganz schnell in die Abgründe des Blei-Recycling eingehen.

Damit das alles nicht passiert, braucht man ein intelligentes Ladegerät: eines, das den Akku zuerst kontrolliert entlädt und dann ebenso kontrolliert mit den richtigen mAh volllädt. Und das Beste an diesem hier ist: man kann immer genau sehen, wieviel noch drin war und wie lange es noch dauert, bis das Laden fertig ist. Neben einer grünen LED (die bei angeschlossenem Akku leuchtet, gibt es eine gelbe (die beim Entladen angeht) und eine rote (die beim Laden angeht).

Die LCD zeigt noch mehr an: die Spannung am Bleiakku in Millivolt, den Entlade- und Ladestrom in mA und die Entlade- und Ladekapazität in mAh. Also: volle Transparenz und Kontrolle.

Die Schaltbilder, der Aufbau und weitere Zeichnungen sind in der LibreOffice-Draw-Datei hier enthalten. Berechnungen gibt es in der LibreOffice-Calc-Datei hier zum Download. Diese enthält auch die Rechenschritte für den Bleiakku-Lader und ist hier näher beschrieben.

1 Schaltbild des Bleiakku-Laders

1.1 Die Ladeschaltung

Das ist die Hälfte der Miete: die Entlade- und Lademimik und die Aufbereitung der Messwerte. Das Ganze geht an eine sechspolige Verbindung zum TN24-LCD Modul. Das ist hier genauer beschrieben.

Das Trafo-Netzteil links macht die Ladespannung von ca. 10 Volt. Der Spannungsregler 78L05 macht daraus die 5V, die der Mikrokontroller und das CMOS-IC 4066 so brauchen (bitte unbedingt die CMOS-Version nehmen, die 74HC gehen hier wegen der negativen Eingangsspannung beim Entladen nicht!).

Ein Spannungsteiler mit 10kΩ und 1kΩ bereitet die Bleiakkuspannung zur Messung mit dem AD-Wandler im ATtiny24 auf (Sense-V, ADC0) und gibt sie an den ADC0-Eingang des ATtiny24 weiter. Dieser arbeitet mit der intern erzeugten Referenzspannung von 1,1 V. In der gezeigten Teiler-Schaltung können Spannungen bis knapp oberhalb von 12 V gemessen werden. (Wer 12V-Bleiakkus laden will, macht den 10k ein bisschen größer, neben einem größeren Trafo und einem spannungsfesteren Ladeelko).

Überschreitet die Spannung am Akku den Mindestschwellwert (per Default: 1.000 mV), dann beginnt der Entlade-Algorithmus. Solange die Akkuspannung 5.500 mV überschreitet, schaltet dazu der ATtiny24 die Unload-Leitung auf Eins-Potenzial. Das öffnet den daran angeschlossenen BD439, dessen Kollektor über einen 8,2 Ω-Widerstand den Akku entlädt. Der Entladestrom fließt durch den 0,68Ω-Widerstand am Emitter, an dem pro mA Entladestrom 0,68 mV anfallen. Der Analogschalter 4066-1 schaltet beim Entladen diese Spannung auf die Sense-I-Leitung, die an ADC1 des ATtiny24 führt.

Unterschreitet der Akku die Entladespannung von 5.500 mV, schaltet der Kontroller die Leitung Unload auf Low und die Leitung Load auf High. Das startet das Laden. Der an Load angeschlossene BC547-Transistor schaltet dazu die Basis des Ladetransistors BD680, eines PNP-Darlingtons, auf 2 V unterhalb der Betriebsspannung, eingestellt mittels der Durchlass-Spannung der roten LED. Der Emitter des BD680 wird dadurch auf 0,7 V unterhalb der Betriebsspannung eingestellt. Der 0,56Ω-Widerstand stellt dadurch den Ladestrom auf ca. 1.250 mA ein.

Noch eine Anmerkung zum Analogschalter 4066. Der hat neben der Tatsache, dass für alle Strommessungen nur ein einziger ADC-Kanal benötigt wird, eine weitere sehr wichtige Funktion. Beim Entladen würde an dem 0,68Ω-Widerstand am Minus-Pol des Akkus eine negative Spannung von bis zu -1,1 Volt abfallen. Das würde nicht nur keine Strommessung ermöglichen, da der ADC-Eingang bei negativen Spannungen immer nur Null liefert. Mehr noch: die Spannung würde die Grenze von -0,5 Volt unterschreiten, die minimal für jeden Pin des ATtiny24 in den Absolute Maximum Ratings festgelegt sind. Könnte also durchaus sein, dass der ATtiny24 damit kaputtgeht. Der 4066 kann solche negativen Spannungen aber locker ab und schaltet die Verbindung zum ADC1 schnell und zuverlässig ab, solange kein Laden eingeschaltet ist.

1.2 Die Prozessor- und LCD-Schaltung

Der 6-polige Steckverbinder führt zum Prozessor- und LCD-Modul mit dem ATtiny24. Diese Prozessor- und LCD-Schaltung ist hier im Detail beschrieben. Sie ist einfach, zuverlässig und schnell aufgebaut.

Das dort beschriebene Modul wird mit der unten beschriebenen Software betrieben. Diese misst Spannung und Strom, schaltet den Unload- und Load-Pin und zeigt die Spannung und den Strom auf einer vierzeiligen LCD an.

1.3 Die Stromversorgung

In dem eingangs gezeichneten Schaltbild ist das Netzteil der Schaltung abgebildet. Hier ist das Netzteil bei Voll-Last (1,25 A) zu sehen. Es liefert stabile 10 V mit einem Brumm von 0,65 V.

Der Brumm spielt dabei keine Rolle, da er von der Konstantstromquelle locker weggeregelt wird. Wer sparen muss oder will, kann den Elko bis auf 2.200µF verkleinern, das erhöht den Brumm bis auf 2,8 V, der auch noch weggeregelt wird. 1.000µF gehen aber definitiv nicht mehr, dann schlägt der Brumm durch.

Ohne Last kratzt die Elkospannung am 16 V-Limit, so dass mit etwas Risiko für gelegentliche Überspannungen am Elko auch eine niedrigere Spannungsauslegung denkbar ist. Wer die Hintergrundbeleuchtung der LCD, den niedrigen Strombedarf des Prozessors und der Leuchtdioden und die Verlustleistung des Spannungsreglers noch heranzieht, bleibt auf der sicheren Seite. Eine weitere grüne LED mit 20 mA bei 15 V zur Bereitschaftsanzeige täte da ihr Gutes (mit einem Vorwiderstand von 680Ω und 0,4 oder 0,5 W oder mehr, direkt vom Elko nach GND).

2 Aufbau

Aufbau des Bleiakkuladers auf einer Rasterplatine

So können die Bauteile des Akkuladers auf einer Rasterplatine mit der Größe 127 x 73 mm platziert werden. Die Platine passt auf den Boden eines Plastikgehäuses 1591DTBU, in dem auch die Komponentenhöhen Platz haben.

Noch ein kleiner Hinweis: Wird ein total entladener Bleiakku angeschlossen, dann läuft die Software zum Schutz vor Fehlsteuerungen nicht an (Laden ohne angeschlossenen Akku macht nicht so arg viel Sinn). In diesem Fall lädt man den Akku mit einem Netzteil auf eine Mindestspannung von einem Volt auf. Schließt man den Akku dann an, läuft die Software korrekt los und geht nach einer sehr kurzen Unload-Phase direkt zum Laden über.

3 Software

Die Software dafür ist noch im Entwicklungsstadium.

Viel Erfolg beim Nachbau.

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