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AccuCell und Selbstbau Ladegeräte

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Eine Alternative zu NiCd- und NiMH-Akkus

NiCd-Akkus entladen sich relativ schnell selbst, weisen einen Memory-Effekt auf und verlieren bei Nichtgebrauch durch Vergröberung der kristallinen Oberflächenstruktur an Kapazität. Sogar Zellenkurzschlüsse sind dadurch möglich. Die hinsichtlich der späteren Entsorgung unbedenklicheren NiMH-Akkus haben eine noch viel höhere Selbstentladung. Wer sich lange genug über diese Unarten der Nickelsammler im Handy geärgert hat, bestückt den Batteriekasten bei nur gelegentlicher Nutzung wieder mit Einwegzellen ("Trockenbatterien" ist eine unsinnige Bezeichnung), was auf Dauer allerdings teuer werden kann. Bleigelsammler wären eigentlich die idealen Stromquellen. Leider gibt es sie nicht in so kleinen Formaten, z. B. in der Größe Mignon AA. Sind die neuen AccLiCell-Eleiiiente eine Alternative?

Eigenschaften von AccuCell-Batterien

Seit Anfarig der 90er-Jahre gibt es Sammler auf Alkali-Mangan-Basis. Schon früher war bekannt, dass sich derartige, als Einwegbatterien konzipierte Systeme regenerieren lassen. In Deutschland werden sie unter dem Markennamen AccuCell erzeugt und vertrieben. Hier ihre Eigenschaften:

Einsatz in Amateurfunk-Handys

Die etwas leistungsfähigeren Handfunkgeräte für 2 m und 70 cm sind für den Betrieb an 5,5-16 V ausgelegt. In die lieferbaren Batteriekästen passen sechs Mignonzellen. Bei Bestückung mit 1,5-V-Elementen, entsprechend 9 Volt, wird im Empangsbetieb (abhängig von der NF) um 50 mA, bei Sendebetrieb um 500 mA in der QRO-Stellung verbraucht. Das sind Strörne, für die sich die AccuCell-Typen der Größe Mignon durchaus noch eignen. Mehr darf man ihnen im Sendefall aber nicht zumuten. Die Spannung sinkt unter Last relativ schnell ab. Da die Geräte im genannten großen Spannungsbereich stabil arbeiten, kann die Kapazität (bei zurückgehender Ausgangsleistung) bis zur Entladeschlusssparmung ausgenutzt werden.

Die Kapazität einer Mignonzelle wird mit 1.800 mAh angegeben. Wie bei allen Sammlertypen ist diese jedoch nur bei Belastung mit Nennstrom erreichbar. Immerhin: Das mit sechs AccuCell bestückte (ältere) Duoband-Handy C500 hielt bei reinem Empfangsbetrieb, auf ein stark frequentiertes Relais eingestellt, rund 40 Stunden durch, ehe die Sammler sicherheitshalber wieder geladen wurden.

Das Laden von AccuCell-Elementen

Die lieferbaren AccuCell-Ladegeräte haben für den Funkamateur folgende Nachteile:

Die Ladung erfolgt dort im Parallelbetrieb. Das hat den Vorteil, dass auch Zellen mit unterschiedlichem Ladestatus und Alter voll werden.

Es wurde nun untersucht, welche Spannungen die gleichzeitig gekauften sechs Zellen, zunächst ohne Ladung und dann nach mehreren Ladungen in Serienschaltung aufweisen. Die Unterschiede lagen jeweils bei nur 1/1.000 V, so dass die später beschriebenen Ladegeräte für die Serienschaltung der Elemente konzipiert werden konnten.

AccuCell-Elemente sind mit Dauergleichstrom und mit Impulsen nachladbar. Für das Impulsladen gibt es verschiedene spezielle, sogar für die Schnellladung geeignete ICs, von deren Einsatz in Selbstbaugeräten aber abgeraten wird. Wer über ein in Spannung und Strom regelbares Netzteil verfügt, kann dieses zum AccuCell-Laden benutzen. Es wird dazu die Lade(schluss)spannung von 1,65 V/Zelle eingestellt und eine Strombegrenzung auf 1/10 der Kapazitätsangabe vorgenommen, bei 1.800 mAh also 180 mA. Der Strom geht, ähnlich wie beim Laden einer Bleibatterie, im Laufe der Ladung immer weiter zurück, ohne jedoch den Wert Null zu erreichen. Derartige Ladegeräte sind natürlich ungeeignet, um auf Reisen zur Auffrischung der Akkus im Handy-Batteriekasten mitgenommen zu werden. Daher empfiehlt sich der Bau eines kleinen separaten Laders, speziell ausgelegt für die eingesetzte Anzahl von AccuCell-Elementen.

Ladegerät A

AccuCell-Elemente sind ganz besonders für das Rückstrom-Laden geeignet. Das Verfahren wurde ausführlich in (2) beschrieben. Hier noch einmal kurz das Prinzip: Über die positive Halbwelle eines sinusförmigen Wechselstromes wird der Akku, ähnlich wie beim Impulsverfahren, geladen, über die negative Halbwelle mit ca. 1/10 der Ladeamplitude wieder entladen. Dadurch erhöhen sich Kapazität und Lebensdauer der Sammler. Während NiCd-Akkus bei Normalladung nicht unbedingt eine Abschaltung beim Erreichen der Ladeschlussspannung brauchen, ist dies bei AccuCell-Elementen unbedingt nötig. Das lässt sich z. B. mit einer Parallel-Stabilisierung der Ladegerät-Spannung erreichen, und zwar schon während des Ladens durch das Kappen der Sinusspitzen.


So sieht der Verlauf des Lade- und des Rückstromes auf dem Oszilloskop aus.

... mit Leistungs-Zenerdiode

Dies kann im einfachsten Fall eine Zenerdiode entsprechender Belastbarkeit erledigen, die beim Erreichen bzw. Überschreiten der Ladespannung durchlässig wird und (fast) den gesamten Strom übernimmt. Für eine Ladung der AccuCell-Mignontypen mit ca. 180 mA muss das allerdings ein Leistungstyp sein, am besten eine ZL 10 bzw. BZY93/C10, die sich auf einem Kühlkörper festschrauben lässt. Bei der BZY93/C10 mit dem Zusatz "R" liegt die Kathode am Gehäuse. Sie ist bei Minus an Gerätemasse ohne Isolierscheibe direkt auf dem Chassis zu montieren. Derartige Leistungs-Zenerdioden haben jedoch folgende Nachteile: Sie werden nicht mehr gefertigt, sind also nur noch aus Lagerbeständen lieferbar, und damit nicht mehr überall erhältlich. Außerdem gibt es sie lediglich in der IEC-Reihe E12 mit 10% Genauigkeit. Das ist für den gedachten Zweck zu ungenau, so dass man aus mehreren Typen eine Diode mit 9,9 V Zenerspannung mit Hilfe des regelbaren Labornetzteiles bei eingestellter Strombegrenzung und einem digitalen Multimeter ausmessen muss.

Hier war zufällig eine BZY93/C10 mit 10,0 V Zenerspannung vorhanden. Damit wurde ein an Einfachheit nicht zu übertreffendes kleines Netzteil für 160 mA Ladestrom und 16 mA Rückstrom in einem TEKO-Aluminiumgehäuse 1B realisiert. Die Kühlung der Z-Diode besorgt die Gehäuse-Rückwand. Die Werte von R1 und R2 richten sich nach Spannung und Innenwiderstand des eingesetzten Kleintrafos und sollten vorher in einer fliegend aufgebauten Schaltung ausprobiert werden (hier: R1 = 3,3 Ω/0,25 W; R2 = 1.200 Ω/0,5 W). Bei R2 ist zu bedenken, dass sich beim Rückstrom die Batteriespannung zur Trafospannung addiert.

... mit Leistungs-Transistor

Lassen sich keine Leistungs-Zenerdioden beschaffen, dann kann ein an eine 500 mW Z-Diode "angebundener" Kleinleistungs-Transistor diese Aufgabe übernehmen. Das geht sowohl mit NPN- als auch mit PNP-Typen. Letztere haben sogar den Vorteil der unisolierten Kühlkörpermontage bei Minus an Gerätemasse (der Kollektor ist in der Regel mit dem Transistor-Gehäuse verbunden). Zum Spannungswert der Z-Diode addieren sich 0,65 V des Basis-Emitter-Überganges. Bei 9,9 V Ladespannung muss eine Z-Diode, wie oben beschrieben, unter verschiedenen ZPD 9,1 (8,5 - 9,6 V Toleranzbereich) mit 9,3 V Zenerspannung ausgemessen werden. Da diese nicht teuer sind, kauft man zehn Stück und wird in der Regel fündig.

... ohne Rückstrom

Zwei Nachteile der Rückstrom-Ladeschaltungen seien nicht verschwiegen:

  1. Wenn die Netzspannung ausfällt, entlädt sich der Akku langsam über R2 und die Trafowicklung. Abhilfe könnte ein kleines Relais schaffen, das bei Netzausfall abfällt und den Ladestromkreis auftrennt.
  2. Der Rückstrom fließt nicht, wenn im Ladeadapter des Batteriekastens eine Schutzdiode eingebaut ist. Falls diese nicht überbrückbar ist, z. B. bei verschweißtem Gehäuse, muss man R2 weglassen. Die ansonsten-unveränderte Schaltung funktioniert dann zwar weiterhin, aber eben ohne die Vorteile des Rückstromladens.

Ladegerät B

Natürlich sind für die AccuCell-Ladung auch Regelschaltungen mit Serien-Stabilisierung geeignet. Bei Beschränkung auf einen Ladestrom von 100 mA lässt sich z. B. der kleine Festspannungsregler 79L10 verwenden, dessen 10,0 V (fast) genau der Ladespannung von sechs AkkuCell-Elementen entsprechen. Flexibler ist man mit den einstellbaren Dreibeinreglem, wie z. B. dem bekannten LM317, denen man jedoch einen Widerstand vorschalten muss, da die interne Strombegrenzung erst bei 1,5 A und mehr anspricht, was für den Kleintrafo und auch für den Akku zu viel wäre.

Geringfügig mehr kostet der L200. Neben der einstellbaren Spannung lässt sich bei ihm auch noch die Strombegrenzung extern programmieren. Weiter Vorzüge sind, dass das Pentawatt-Gehäuse ohne Isolierung montiert werden kann, das gute Temperaturverhalten, die Kurzschlussfestigkeit und die thermische Abschaltung bei Oberlastung. Der Nachteil, dass die fünf Anschlussbeine nicht in das 2,5-mm-Raster passen, lässt sich durch geringfügiges Aufbiegen beheben. Die Schaltung des damit aufgebauten Ladegerätes entspricht weitgehend einem der in (3) gemachten Vorschläge. Mit R3 lässt sich der maximale Ladestrom I einstellen (0,45 : I). Für die gewünschten 180 mA sind das 2,4 Ω/0,25 W, ein Wert aus der E24-Toleranzreihe. Ist dieser nicht zu beschaffen, ist mit den gängigeren 2,7 Ω ein Strom von 167 mA programmierbar. Der Einsatz eines R3-Trimmers lohnt sich nicht, weil es auf den genauen Stromwert nicht ankommt. Dagegen sollte R2 wegen der optimalen Einstellbarkeit sogar ein Mehrgang-Spindeltrimmer sein. Mit ihm wurde im Mustergerät die Lade(schluss)spannung auf 10,5 V kalibriert (9,9 V Ladespannung für sechs AccuCell-Elemente plus 0,6 V Spannungsabfall an der Schutzdiode im Batteriekasten). Der Trafo ist ein 4-VA-Typ, 2x9 = 18 V/222 mA in Flachausführung. Alle Bauteile passen zusammen ohne Platznot in das TEKO-Aluminiumgehäuse 2A.

Wann sind AccuCell voll?

Dann, wenn kein Ladestrom mehr fließt, bzw. die Ladespannung identisch mit der Akkuspannung ist. Am einfachsten kann man das mit einem Milliamperemeter im Ladestromkreis oder einem Voltmeter an den Akku-Polen überwachen. Für einen kleinen Lader, der mit auf Reisen geht, bietet sich die Spannungsanzeige mittels einer Duo-LED oder zwei einzelnen LEDs unterschiedlicher Farbe an. Es gibt dazu in der Literatur zahlreiche Vorschläge. Viele verwenden einen Operationsverstärker, aber es geht auch einfacher mit wenigen Bauteilen(4).

Liegt in dieser Schaltung die Batteriespannung unter der Ladeschlussspannung, so leuchtet die rote LED. Ist der Schwellwert erreicht, dann schaltet der Transistor und der Strom fließt durch die grüne LED. Wegen der Spannungstoleranzen von Z-Dioden muss man leider wieder durch Probieren verschiedener Werte in einer zunächst fliegend aufgebauten Schaltung die Ansprechschwelle von 9,9 V mit Hilfe eines regelbaren Netzteiles zu erreichen versuchen. In Frage kommen die Z-Dioden ZPD 8,2 oder die ZPD 5,6 mit einer ZPD 3 in Reihe. Die Hysterese beträgt ca. 0,2 - 0,3 V, d. h., vor dem Erreichen der Schwellspannung beginnt beim Laden die Duo-LED von Rot nach Grün zu kippen.

Bei 9,9 V verbraucht die Schaltung ca. 10 mA. Als kleiner Zusatz eignet sie sich zum Einbau in beide beschriebenen Ladegeräte. Sie funktioniert aber dort nur dann, wenn sich im Ladeadapter für den Batteriekasten keine Schutzdiode befindet. Eine Lade-Anzeigeschaltung ist nicht unbedingt notwendig, denn AccuCell-Elemente dürfen beliebig lange am Ladegerät verbleiben. Man kann übrigens schon an der Temperatur der Lader per Handauflegen erkennen, ob die Arbeit getan ist: Bei Modell A ist dann das Gehäuse warm, bei Modell B kalt.

Wann sind AccuCell leer?

Accucell-Elemente dürfen die (unter Last gemessene) Entladeschlussspannung von 0,9 V/Zelle nicht unterschreiten. Die Datenblätter der Handftinkgeräte geben für die untere Betriebsgrenze meist 5,5 V an, so dass bei sechs Zellen zu je 0,9 V = 5,5 V eigentlich keine Überwachung der Entladespannung nötig wäre, weil dann die Displayanzeige verschwinden würde. Es zeigt sich aber, dass viele Geräte noch bis 4,5 V im Empfangsbetrieb arbeiten, was man den AccuCellen nicht mehr zumuten darf. Wer ganz sichergehen will, kann einen Tiefentladeschutz, ähnlich wie bei Solaranlagen vorsehen, der allerdings Platz benötigt, pertnanent Strom verbraucht und bei einer Lösung ohne Relais auch noch einen Spannungsabfall im Längstransistor hat.

Ein Kompromiss ist die Überwachung der Entladespannung durch eine Duo-LED. Deren Schaltung benötigt zwar auch etwas Platz, belastet aber, weil über einen Taster in Funktion gesetzt, die Batterie nicht. Im Handfunkgerät lässt sich selbst in SMD-Technik so etwas nicht nachträglich unterbringen (eine Batteriespannungsanzeige wäre anstelle der unnötig vielen Speicher viel sinnvoller), so dass nur der Batteriekasten bleibt. Ist einer für mehr als sechs Mignonzellen vorhanden, dann kann man eine Zelle weniger einlegen und den Platz für die Überwachungsschaltung nutzen. Ansonsten bleibt nur die räumliche Erweiterung des Batteriekastens.

Das Alinco-Gerät DJ-F4 soll hier als ein mögliches Beispiel dienen: Nachdem der mitgelieferte NiCd-Akkupack "gestorben" war, wurde dessen Gehäuse-Oberteil abgesagt und als Aufsatz für ein gleich großes Batterie-Leergehäuse hergerichtet. Unter Verzicht auf die Gürtelklammer lassen sich die für dessen Befestigung vorgesehenen je zwei Messinggewinde, die zum Kasteninneren durchkontaktiert sind, durch Metallstege verbinden. Sie bilden die Befestigung für das Zusatzkästchen und stellen gleichzeitig den Kontakt zu den Batteriepolen her.

Die oben beschriebene Überwachungsschaltung bewährt sich auch hier. In Frage kommen die Z-Dioden ZPD 4,7, ZPD 4,3 oder die ZPD 3,9 mit einer Diode 1N4148 in Reihe, die man ausprobiert, ob mit der am Labornetzteil eingestellten Spannung von 5,6 V die Duo-LED von Grün nach Rot wechselt (mit Hysterese von ca. 0,2 V), wobei ca. 4 mA fließen. Beim Umsetzen des fliegenden Aufbaues auf einem Stück Lochraster-Platine ist wegen des geringen Platzangebotes das vorherige Einzeichnen der Bauteile und der Verbindungen im Maßstab 2:1 auf kariertem Papier unbedingt zu empfehlen.

Und die Kosten?

Wer viel mit dem Handfunkgerät arbeitet, ist mit den preiswerten NiCd- oder NiMH-Akkus gut bedient. Sie lassen sich bei richtiger Pflege sehr oft aufladen. Für sehr seltenen Gebrauch sind Einwegbatterien die beste Wahl. In der Mitte liegen die AccuCell-Elemente. Sechs Stück der Größ Mignon kosteten 2003 bei einem bekannten preisgünstigen Versender € 16,50, im regulären Handel € 24,00. Als Vergleich: Für sechs einzelne Einwegbatterien guter Qualität musste man beim selben Versender € 3,18 und im Handel um die € 8,00 ausgeben, so dass sich der AccuCell-Kauf schon bei nur wenigen Aufladungen rentiert. Bei den vorgestellten Ladern wurde besonderer Wert auf geringen Aufwand und damit Preiswürdigkeit gelegt. Schaltungsvarianten sind möglich, so dass sich der Bau oft mit Teilen aus der berühmten Bastelkiste realisieren lässt.

Klaus Böttcher, DJ3RW

  1. Werner Droske: vth-Fachbuch "Akkus und AccuCell-Batterien für Hobby, Freizeit und Beruf"
  2. DJ3RW in FUNK 11/2000, S. 46, und 12/2000, S. 32: Das Rückstromladen, Teil 1 und 2
  3. L200-Applikation der Fa. SGS/ATES
  4. Günter Marx, DL7HM, in cq-DL 7/1983, S. 317: Batterie-Wächter, nicht nur fürs IC-2E