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40A/600W Stromsenke

Winter - draußen stürmt und schneit es. Was liegt näher, als die Akkus endlich mal durchzuchecken.
 

 

Handelsübliche Ladegeräte können Akkus zumeist nur mit wenigen Ampere entladen. Daher war eine enstprechend dimensionierte, geregelte Last - salopp Stromsenke gennant - vonnöten, um die Akkus unter realsistischeren Bedingungen entladen zu können.

Hier soll eine entsprechende Stromsenke für Entladeströme bis zu 40A bei Verlustleistung von bis zu 600W vorgestellt werden:

  • 8 separat geregelte Zweige á 5A, auf beliebig viele Zweige erweiterbar
  • Verlustleistungsumsetzung mit preiswerten Bipolar-Leistungstransistoren
  • Luftkühlung mit PC-Lüftern und handelsüblichen Kühlkörpern
  • spannungsgesteuerter Entladestrom
  • einfacher Aufbau

Schaltungsbeschreibung

Die Stromsenke benötigt eine externe Betriebsspannung von ca. 12V. Diese wird direkt über die Steckverbinder P1,P2 an die Lüfter weitergereicht. Diode D1 dient als Freilaufdiode. Aus den 12V wird mit einem Linear-Spannungsregler (U3,C1-C4; 7805 Grundschaltung) eine stabilisierte Betriebsspannung von 5V erzeugt.

Der Lastteil ist aus acht identischen Zweigen aufgebaut. Über jeden Zweig können bis zu 5A geregelt abgeführt werden. Prinzipiell lässt sich die Anzahl der Zweige beliebig skalieren. Der Strom in jedem Zweig ist separat geregelt und proportional zu einer Steuerspannung. Die separate Regelung hat den Zweck, dass im Falle des Ausfalls eines Zweiges (z.B. durch Überlast), die anderen Zweige nicht weiter aufregeln (was kettenreaktionsartig zu weiterer Überlast führen könnte).

Die maßgebliche Verlustleistung wird im Leistungstransistor Q2 (BD317) in Wärme umgewandelt. Da dieser Transistor nur eine geringe Stromverstärkung hat und dem Operationsverstärker einen zu hohen Ausgangsstrom abverlangen würde, wird er mit einem weiteren Transistor Q1 (TIP122) zum Darlington verschaltet (der TIP122 alleine ist übrigens schon ein Darlington-Transistor). Der Laststrom fließt von Plus über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistorpärchens und den Shunt-Widerstand (R1) nach Masse ab. Der über diesem Widerstand entstehende Spannungsabfall wird als Regelgröße an den Minus-Eingang des OP geführt und dort mit der am Plus-Eingang anliegenden Steuerspannung (Sollwert) Usoll verglichen. Der Ausgang des OP steuert über den Basiswiderstand (R10) die Basis des Transistorpärchens und schließt damit die Gekenkopplungsschleife. Wir haben es somit mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle zu tun. Der Basiswiderstand hat den Zweck, den Ausgangsstrom des OP für den Fall, dass kein Akku angeschlossen ist, zu begrenzen. Der resultierende Laststrom errechnet sich mit guter Näherung aus Usoll/Rshunt. Das gilt für jeden der Zweige gleichermaßen, wobei sich die einzelnen Ströme zu dem Gesamtstrom addieren. Für N Zweige kommt man damit auf

   I = N*Usoll/Rshunt ,

bei 0.082Ω-Shunt-Widerständen und Usoll=0.41V fließen bei N=8 Zweigen also 40A .

Die Steuerspannung wird aus der stabiliserten 5V-Betriebsspannung mit Hilfe des Spannungsteilers (RV1,R9,RV2) am Poti eingestellt. Der Trimmer dient zur Kalibrierung von Usoll=0.41V bei Vollausschlag des Potis.

Als Operationsverstärker kommt der etwas teurere CMOS-Typ LM6484 zum Einsatz. Das ist notwendig, da die Gleichtaktaussteuerung mit Usoll≤0.41V nahe an der negativen Betriebsspannung (0V) der Schaltung liegt, einem Arbeitsbereich in dem viele (preiswertere) OP's nicht zufriedenstellend arbeiten. Wer auf kleine Lastströme verzichten kann, kann aber auch einen billigen LM324 einsetzen. In diesem Fall dürfte sich aber der Laststrom im Bereich <500mA pro Zweig vermutlich nicht vernünftig einstellen lassen.

Aufbau und Dimensionierung

Die Leistungstransistoren (BD317) zusammen mit ihren Treibern (TIP122) sind mit Wärmeleitpaste auf SK-34 Kühlkörpern verschraubt. Jeweils der Kollektor der Transistoren ist leitend mit dem Kühlkörper verbunden. Lackierte oder eloxierte Kühlkörper müssen also ggf. angeschliffen werden, damit ausreichend Kontakt besteht. Der Emitter des TIP122 und die Basis des jeweiligen BD317 werden vor Ort verlötet, so dass nur noch zwei Leitungen pro Zweig (Basis TIP122, gelb, und Emitter BD317, orange) zur Platine geführt werden müssen. Es empfiehlt sich, die Anschlüsse der Transistoren vorher mit Lötschuhen zu bestücken. Alle Lötstellen dann sorgfältig mit Schrumpfschlauch isolieren.
 

 

Die Kühlkörper sind mit 10mm Alu-Vierkantprofil aus dem Baumarkt untereinander verschraubt. Gut bewährt haben sich dafür M4-Einschraubmuttern, die sich direkt in das Profil drehen lassen. Bei der Verschraubung der Profile mit den Kühlkörpern auch auf guten Kontakt achten, ggf. anschleifen.

Auf der Vorderseite sind die 120mm Lüfter befestigt. In diesem Fall mit Kabelbindern, da für passende Bohrungen der entscheidende Millimeter gefehlt hat :(

 

 

Obenauf ist die Platine mit isolierenden Abstandshaltern verschraubt, die den Minus-Buchsen (schwarz) genügend Abstand zum Kühlkörper verschaffen. Die Plus-Buchsen (rot) sind mit einem Kupferstreifen direkt mit den Kühlkörpern verbunden und damit auch mit den Kollektoren der Transistoren.

Da in den Shunt-Widerstände auch einiges an Wärme anfällt (siehe unten), sind diese auf der Platine leicht aufgestellt, damit sie gut belüftet sind. Eine weitere Kühlung ist bei den gegeben Strömen nicht erforderlich.


Achtung, in dem beschriebenen Aufbau sind die Kühlkörper und Befestigungsteile auf Batterie-Pluspotenzial. Das ist nicht weiter schlimm, solange nichts was damit in Berührung kommt Minus-Potenzial hat. In aller Regel ist das nicht der Fall. Probleme könnte es aber geben

  • mit nicht potenzialfreien Betriebsspannungsversorgungen
  • wenn man ein nicht potenzialfreies Netzteil belasten (entladen) will

Leistungs-Limit

Der größte Teil der von der Stromsenke umgesetzten Energie wird von den Leistungstransitoren "verheizt". Die dabei auftretende Leistung ist

   P = I*(Uakku-Usoll)

und darf einen Maximalwert nicht überschreiten. Der Maximalwert hängt von der maximal zulässigen Verlustleistung der Leistungstransitoren bei der sich ergebenden Gehäusetemperatur ab, und diese ist wiederum maßgeblich von der Leistungsfähigkeit der Kühlung abhängig. Daher unbedingt auf gute Belüftung achten und die Transitoren mit Wärmeleitpaste montieren! Den Höchstwert kann man überschlagsmäßig mit der Kühlkörperrechnung bestimmen. Die veranschlagten 600W haben sich hier in der Praxis beim Entladen von 6s-Lipos mit 30A bestätigt. Weit darüber hinaus sollte man aber nicht gehen. Insbesodere bei einem Nachbau mit anderer (schwächerer) Kühlung oder auch schon bei erhöhter Umgebungstemperatur kann es sein, dass die 600W nicht haltbar sind, was dann schnell zum Tod der Leistungstransistoren führt.



Möchte man größere Leistungen umsetzten, muss man entweder

  • mehr Zweige aufbauen
  • oder eine bessere Kühlung realisieren (nur begrenzt möglich).


Strom-Limit

Ein nicht zu vernachlässigender Teil der Energie wird aber auch in den Shunt-Widerständen umgesetzt, nämlich insgesamt

   Pshunt = I2*Rshunt/N

Ich habe 0.082Ω 5W Widerstände verwendet, insgesamt ist also Pshunt=16.4W bei einem Strom von 40A, unabhängig von der Akkuspannung. Diese 16.4 Watt (40W wären theoretisch möglich) lassen die Widerstände schon einigermaßen warm werden, und diese Abwärme ist die maßgebliche Beschränkung für den Strom (die Transistoren haben hier noch Reserven).


Wichtig: bei hohen Akkuspannungen kann die Maximalleistung beim Maximalstrom von 40A bereits überschritten sein, wie man leicht nachrechnen kann!


Möchte man größere Ströme abführen, muss man entweder

  • mehr Zweige aufbauen
  • Shunts mit kleinerem Widerstand verwenden (problematisch, da dann der Spannungsabfall geringer und damit schwieriger auszuregeln ist)
  • oder die Shunts aktiv kühlen.


Platinen-Layout

Dies ist das Layout der Platine im Format 100x75 (Achtung, das Foto oben zeigt ein älteres Layout, bei dem die Basiswiderstände R10-R17 noch nicht auf der Platine untergebracht sind)

Für den Batterieanschluss sind Einschraub-Bananenbuchsen (jeweils zwei parallel) vorgesehen. Die Plus-Buchsen müssen mit ausreichendem Querschnitt mit dem Kühlkörper und damit mit den Kollektoren der Leistungstransistoren verbunden werden.

Die externe Betriebsspannung wird über die Buchse K1 zugeführt. Das Layout für eine Buchse von diesem Typ entworfen worden. Für andere Buchsen dürfte man an dieser Stelle wohl nacharbeiten müssen.

Die beiden PC-Lüfter werden an P1 und P2 angeschlossen, entweder direkt eigelötet oder mit passenden Stiften. Alle anderen Bauteile sollten aus dem Bestückungsplan hervorgehen.


Zu guter Letzt

Nichts ist perfekt, und so gibt es natürlich auch eine ganze Reihe von Punkten, in denen die Stromsenke weiterentwickelt werden kann. Als Wichtigstes sind hier natürlich Schutzschaltungen zu nennen. Die vorliegende Schaltung bietet keinerlei Schutz gegen Fehlbedienung und Ausfall von Komponenten. Wie die Praxis leider schon gezeigt hat, kann man schnell mal den angeschlossenen Akku oder die Stromsenke selbst zerstören. Also Nachbau und Benutzung auf eigene Gefahr!

Wichtige Schutzmaßnahmen wären sicherlich

  • ein Verpolschutz für den angeklemmten Akku
  • Schutz gegen Überlast durch gleichzeitiges Messen und Auswerten von Akkuspannung und Strom (bzw. Ushunt)
  • Automatisches Abschalten bei Ausfall eines Zweiges
  • Akku-Einzelzellüberwachung und Endabschaltung bei Erreichen der Mindestzellspannung


Mal sehen, was davon noch realisiert werden wird. Für Fragen und Anregungen bin ich gerne offen, per Email oder in unserem Forum.



Und Folgendes muss auch noch gesagt werden:

Die hier vorgestellten Schaltpläne, Layouts und Anleitungen sind zur freien Verfügung für jedermann. Verständlicherweise können wir keinerlei Garantie oder Gewährleistung für die Korrektheit und das Funktionieren der Schaltung geben. Insbesondere schließen wir jegliche Haftung für Schäden, die aus dem Nachbau oder der Verwendung der Stromsenke entstehen sollten, ausdrücklich aus.