Looadaccu-lader
Netvoeding + lader in een: 6 of 12 V, 1 of 3 A
Onderhoudsvrije, hermetisch afgesloten loodakku's zijn nog steeds niet door de tegenwoordig vrij goedkope nicad-cellen van de markt verdrongen. Ze zijn niet alleen bij grotere kapaciteiten goedkoper, maar ook stellen zij geen hoge eisen aan het laadproces en kunnen bovendien kontinu parallel aan de netvoeding en de belasting geschakeld blijven zonder gevaar voor overbelasting.
De hier beschreven lader kan behalve als automatisch laadapparaat voor loodakku's ook als netvoeding dienst doen. De schakeling beschikt over een laadstroom- en spanningsbegrenzing, een beveiliging tegen verkeerde poling, een laadindikatie en een polariteitsaanduiding. Met deze akku-lader kan bij het laden van dichte loodakku's niets meer mis gaan.
Kompakte, hermetisch afgesloten loodakku's - vooral bekend onder de merknaam "dryfit" van de firma's Sonnenschein en Yuasa (Japan) - genieten vooral onder de modelbouwers grote populariteit. De kleinere typen loodakku's (6 V of 12 V, 1,1 Ah) passen vaak in het batterijkompartiment van apparaten die met baby- of monocellen gevoed worden, zoals draagbare radio's, TV's, videorecorders en krachtige elektronenflitsers. Hier kan de dryfit-akku een kostenbesparend alternatief voor batterijen betekenen. In tegenstelling tot nicad-akku's kunnen loodakku's zowel tijdens het bedrijf als tijdens het laden in het apparaat blijven. De loodakku-lader kan dan op de ingang voor externe DC-voeding aangesloten worden en zorgt zo niet alleen voor voeding van het apparaat, maar ook voor het laden van de loodakku. Is de akku eenmaal geladen, dan kan de loodakku-lader zonder gevaar voor overlading aangesloten blijven en wordt de akku met een kleine laadstroom in optimale konditie gehouden. Op het moment dat de netstekker uit het stopkontakt getrokken wordt, neemt de lader automatisch de voeding over. Het starten van het laadproces stelt dus niet meer voor dan het insteken van de stekker!
De schakeling en de print zijn zo ontworpen dat verschillende versies op dezelfde print ondergebracht kunnen worden: voor 6 V- of 12 V-loodakku's en voor een laadstroom van 1 A of 3 A. De akku en het laadapparaat zijn tegen alle eventualiteiten beveiligd, zoals kortsluiting, verkeerd gepoolde akku en verkeerd gepoolde akku zonder netspanning. Een LED licht op wanneer de akku verkeerd gepoold is. Een tweede LED geeft aan of de akku geladen wordt. Deze LED dooft wanneer de laadstroom te klein is (akku is vol) of wanneer er sprake is van een kortsluiting aan de uitgang. De schakeling bestaat uit goed verkrijgbare komponenten en de print mag met recht klein genoemd worden.
Dichte loodakku's en nicad-akku's
Wanneer men de eigenschappen van de nog voor enige jaren duidelijk verbeterde dryfit-akku's met nicad-akku's vergelijkt, is het bevreemdend dat deze loodakku's de laatste tijd vooral in verbruikerselektronica minder toegepast worden. Daarbij hoeft men nog niet eens aan het milieu belastende cadmium te denken. Een belangrijke reden is dat loodakku's in tegenstelling tot nicadakku's niet in kleine formaten te krijgen zijn. Dryfit-typen beginnen pas bij een kapaciteit van 1 Ah. De kleinste uitvoering (van General Electric) komt ongeveer overeen met een monocel, terwijl de firma Sonnenschein exemplaren in de handel brengt die 4 baby- of 4 monocellen vervangen kunnen.
In vergelijking met nicad-akku's bieden de jongste telgen van de meer dan 100 jaar oude lood/zuur-technologie enkele niet te verwaarlozen voordelen:
- Een 66% hogere celspanning (2 volt).
- De ladingstoestand is door een gedefinieerde "eindspanning" (akku vol) nauwkeurig te kontroleren.
- Een beduidend beter gedrag bij lage en een beter gedrag bij hoge temperaturen.
- Zeer langzame zelfontlading; bij 20°C is een dryfit-akku na 16 maanden nog voor 50% van de nominale kapaciteit geladen.
- Wil men het onderste uit in serie geschakelde akku's (of cellen) halen, dan kunnen door onderlinge kapaciteitsverschillen een of meer akkucellen leegraken en daardoor ompoten. Dryfitakku's zijn hiertegen bestand. Sterk ontladen akku's moeten echter binnen vier weken weer opgeladen worden.
- Afgezien van enkele speciale nicadcellen kunnen dryfit-akku's hogere stromen leveren (bijv. maximaal 40 A bij een kapaciteit van 1,1 Ah).
En hoe is het met de nadelen gesteld? Naast het feit dat er geen kleine formaten te krijgen zijn, kan als tweede nadeel de iets kortere levensduur genoemd worden. Bovendien mogen de akku's niet op een snellader aangesloten worden. Terwijl nicad-akku's in totaal ongeveer 500-maal hun nominale kapaciteit kunnen leveren, mag men van dryfit-akku's in totaal 200-keer hun kapaciteit verwachten en dat in maximaal 1000 laadcycli; dat betekent ook voor een ijverige schipper van een modelboot enkele jaren vaarplezier.
En wie al eenmaal nicad-cellen heeft en niet van plan is deze door dryfit-loodakku's te vervangen, kan deze loodakkulader ook gebruiken als een krachtige 6 V- of 12 V-voeding of om er de akku van de auto mee te laden.
De schakeling: een goed beveiligde voeding + lader
Het laden van dichte loodakku's is een eenvoudige zaak. Men hoeft er alleen voor te waken dat de laadspanning niet hoger kan worden dan 2,3 volt per cel. Daarmee wordt tevens overlading voorkomen. In tegenstelling tot nicad-akku's is de toestand waarin de loodakku zich in het begin van de laadprocedure bevindt van geen belang. Men spreekt dan ook van automatisch laden door spanningsbegrenzing, met andere woorden: laden met een gestabiliseerde voeding. Wel moet er voor stroombegrenzing gezorgd worden, niet zozeer om de akku maar om de voeding zelf te beschermen tegen te hoge laadstromen die bij ver ontladen akku's optreden.
De basisschakeling voor de loodakkulader is de bekende standaardvoeding met de 723. Deze geïntegreerde spanningsregelaar biedt de mogelijkheid om op eenvoudige wijze de laadstroom te begrenzen. Alleen is hij niet opgewassen tegen verkeerd gepoolde akku's. Daartegen hebben we technische maatregelen getroffen. Ook zijn er nog optische signaleringen aan toe gevoegd voor laadstroom en akkupolariteit. Het resultaat is in figuur 1 te zien. In vergelijking met de standaardschakeling in figuur 2 valt op dat er minder aansluit-pennen van de 723 gebruikt zijn en dat het er omheen hangende gedeelte iets uitgebreider is. Zoals gezegd moet de lader op alles en nog wat voorbereid zijn. Hoe minder aansluitingen beveiligd moeten worden, hoe eenvoudiger en betrouwbaarder de technische remedies zullen zijn. De 723 fungeert in deze toepassing dan ook alleen als bron voor een referentiespanning en als operationele versterker; de uitgangstrap en de stroombegrenzer zijn diskreet met de transistors T1 t/m T5 opgebouwd.
Figuur 1. Het schema van de loodakkulader die tevne als netvoering dienst kan doen. De tussen haakjes vermelde waarden gelden voor de 12 V-uitvoering.
Figuur 2. De standaarduitvoering, van een gestabiliseerde voeding met de geïntegreerde spanningsregelaar van het type 723.
De op pen 6 aanwezige referentiespanning van 7,15 volt wordt door R1 en R2 tot 6 V verlaagd. Deze spanning wordt naar de niet-inverterende ingang van de interne opamp (pen 5) gevoerd. De inverterende ingang van de opamp (pen 4) ontvangt via de instelbare spanningsdeler R10-P1-R11 een van de uitgangsspanning afgeleide tegenkoppelspanning. Op deze wijze kan met P1 een uitgangsspanning van 6,9 volt (voor de 6 V-versie) ingesteld worden. Om oscillatie-neigingen te onderdrukken is tussen de uitgang (pen 13) en de inverterende ingang (pen 4) van de opamp een kondensator (C3) geplaatst. De dioden D5, D7 en D8 dienen als beveiliging tegen een verkeerd gepoolde akku en begrenzen in zo'n geval de negatieve spanning op de betreffende pennen van het IC tot -0,7 V. De darlington-trap, opgebouwd met T1 t/m T3, levert de nodige stroomversterking. De voor T3 voorgeschreven robuuste 2N3055 zorgt voor het affakkelen van de overtollige energie ten gevolge van de laadstroom en het spanningsverschil tussen de afgevlakte ingangsspanning en de gestabiliseerde uitgangsspanning.
Het begrenzen van de laadstroom neemt T4 voor zijn rekening. Wanneer de spanningsval over de weerstanden R4 en R5 een waarde van ongeveer 0,6 V bereikt, begint T4 te geleiden en neemt een gedeelte van de basisstroom van T1 over, waardoor de uitgangsstroom niet meer kan toenemen.
Parallel aan T4 staat T5. Deze transistor bevindt zich, wanneer de akku juist is aangesloten, in gesperde toestand. Een verkeerd gepoolde akku zal T5 via D9 in geleiding sturen en de basis-emitterspanning over T1 t/m T3 kortsluiten, met als gevolg dat deze transistors sperren. Het doel is dan bereikt: er kan bij een verkeerd gepoolde akku geen stroom lopen, ook niet wanneer de netspanning afwezig is. Zonder deze beveiliging zou de spanning van de verkeerd gepoolde akku in serie met de afgevlakte spanning over C1 komen te staan, waardoor het af te fakkelen vermogen in T3 ontoelaatbaar hoog wordt.
De LED's D 11 en D12 zorgen voor de genoemde optische signaleringen. LED D12 is gewoonlijk gesperd, zij licht alleen op bij een verkeerd gepoolde akku. In dat geval is de min-klem van de lader positiever dan de plus-klem. LED D11 licht op wanneer de spanningsval over R8 zo'n 0,6 V bedraagt. Dat is al het geval bij een laadstroom van 10 mA. Het oplichten van D11 duidt er dus op dat de akku geladen wordt. Is de akku vol of is de uitgang van de lader kortgesloten, dan dooft D11.
Figuur 3. Deze print is voor alle versies (6 of 12 V, 1 of 3 A) van de loodakkulader geschikt. De voor de 12 V-uitvoering geldende waarden zijn in de onderdelenlijst tussen haakjes geplaatst. In deze lijst staan de onderdelen van de 3 A versie vermeld.
| R1 | 680 Ω |
| R2 | 3k3 |
| R3 | 2k2 |
| R4,R5 | 1 Ω/0,5 W, voor 3 A: 0,33 Ω/1 W |
| R6 | 22 k |
| R7 | 4k7 (10 k) |
| R8 | 56 Ω |
| R9 | 100 Ω |
| R10 | draadbrug (6k8) |
| R11 | 4k7 |
| R12 | 470 Ω (680 Ω) |
| P1 | 2k5 instelpot. |
| C1 | voor 1 A: 1000 µ/16V (25 V) voor 3 A: 2200 µ/16V (25 V) |
| C2,C4 | 100 n |
| C3 | 10n |
| D1-D6 | 1N4001, voor 3 A: 1N5401 |
| D7-D10 | 1N4148 |
| D11,D12 | LED |
| T1,T4,T5 | BC5478 |
| T2 | BD135, BD137, BD139 |
| T3 | 2N3055, voor 12 V/3 A: 2 x 2N3055 |
| T6 | BC557B |
| IC1 | 723 |
| Tr1 | transformator voor: 6 V/1 A: 10 V/1,5 A sek. 12 V/1 A: 18 V/1,5 A sek. 6 V/3 A: 10 V/5 A sek. 12 V/3 A: 18 V/5 A sek. |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| F1 | 500 mA trage smeltveiligheid |
| EPS 82081 |
Waarden tussen haakjes: 12 V-versie.
De 1 ampère-versie
Er is reeds opgemerkt dat de lader zowel in een 6 V- als in een 12 V-uitvoering opgebouwd kan worden. In het schema en in de onderdelenlijst zijn de waarden voor de 12 V-uitvoering tussen haakjes geplaatst. Afgezien van de transformator en de afvlakkondensator (C1) moeten alleen 3 weerstandwaarden aangepast worden.
Voor het laden van 6 V-akku's wordt de uitgangsspanning (zonder belasting) met P1 op 6,9 V ± 0,1 V ingesteld. Voor 12 V-akku's wordt dat 13,8 V ± 0,1 V. Transistor T3 dient voldoende gekoeld te worden. Tussen T3 en koelvlak is een isolatieplaatje noodzakelijk.
De 3 ampère-versie
Voor de 6 V- en 12 V-uitvoering geldt hetzelfde als bij de 1 A-versies. Voor een 3 A-lacier moeten de trafo, de afvlakkondensator C1, de dioden D1 t/m D6, R4 en R5 aangepast worden. De waarden voor de 3 A-uitvoering treft men in de onderdelenlijst aan. Een maximale laadstroom van 3 ampère stelt uiteraard hogere eisen aan de koeling van T3. Voor de 6 V-lader is een koellichaam van 2°C/W ook bij langdurig kortgesloten lader toereikend. Bij een langdurige kortsluiting van de 12 V-versie krijgt T3 het een beetje moeilijk. Gemonteerd (met isolatie) op een koellichaam van 1,5°C/W is T3 tegen een kortsluiting van 1 à 2 minuten wel bestand, maar om een langdurige kortsluiting te overleven is een tweede, parallel geschakeld exemplaar noodzakelijk (zie figuur 4).
Figuur 4. Op deze wijze kunnen twee transistoren parallel geschakeld worden. De emitter-weerstanden zorgen voor een gelijke verdeling van de stroom.
Het laden van auto-akku's
Vooral de 3 A versie is ook voor het laden van auto-akku's interessant. Dat geldt niet alleen voor de tegenwoordig al toegepaste dryfit-typen, maar ook voor de konventionele akku met vuldoppen.
In een half etmaal kunnen met de 3 A-uitvoering 36 Ah in de akku geladen worden. Bij een spanning van 6,9 V (of 13,8 V) zal de akku tot 75% van zijn nominale kapaciteit opladen. Dat is in de meeste gevallen voldoende om een lege akku weer op krachten te brengen. De akku kan bij deze maximale spanning gedurende onbeperkte tijd aangesloten blijven. Wordt de lader alleen gebruikt voor auto-akku's of alleen voor het laden van akku's (dus niet als netvoeding), dan kan de maximale laadspanning met P1 verhoogd worden. Bij 2,4 V per cel wordt de akku volledig geladen; een akku met vuldoppen moet dan wel bijtijds losgenomen worden (voor een 42 Ah-type is dat na 14 uur) om schade te voorkomen.
Opmerking: wordt de lader tevens als voeding gebruikt (dus als netvoeding met "noodvoeding"), dan verdient het aanbeveling om in serie met de akku een smeltveiligheid op te nemen om de akku tegen een eventuele kortsluiting (in de te voeden schakeling) te beveiligen.
Figuur 5. De klemspanning van een 12 V-auto-akku met vuldoppen bij het laden en het ontladen. Om een auto-akku tot 100% te kunnen laden, dient de maximale uitgangsspanning op ongeveer 16 V ingesteld te worden.
