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Ladegerät Fleischmesser FET M900-30

Einsatzbedinungen Fleischmesser
Prinzipielle Möglichkeiten der Kondensatorladung
Elektrische Anforderungen
Mechanische Anforderungen
Standardladegeräte
Unterteilung der Schutzarten
Halbbrückengegentaktwandler
Ladegerät


Einsatzbedinungen Fleischmesser

Mobiler Einsatz Fleischmesser Kondenstorpack als Energielieferant
Kondensatorpack aus 12 in Reihe geschalteten Einzelkondensatoren
Gesamtkapazität C=29F, Innenwiderstand = 38mΩ

Vorteile Einsatz eines Kondensatorpacks

Hohe Energiedichte bzgl. Gewicht und Volumen
Hohe Anzahl von Ladezyklen ca. 500.000
Hohe Ströme durch geringen Innenwiderstand entnehmbar
Kurze Ladezeiten durch hohe Ladeströme realisierbar
Lange Lebensdauer bis zu 10 Jahren


Prinzipielle Möglichkeiten der Kondensatorladung

Laden mit Spannungsquelle

Ungeladener Kondensator an Konstantspannungsquelle Kurzschluss Spannungsquelle, da Kondensator geringen Innerwiderstand besitzt, Vorwiderstand erforderlich
Ladestrom nimmt zeitlich mit zunehmender Kondensatorspannung ab, bis Kondensatorspannung den Wert der Spannungsquelle erreicht hat
keine Überladung möglich aber langer Ladezyklus

Laden mit Konstantstromquelle

Konstanter Ladestrom Aktive Strombegrenzung des Ladegerätes erforderlich
Laden mit konstanten Strom Beobachtung der Ausgangsspannung am Kondensatorpack und Abschaltung bei Ladeschlussspannung, sonst Überladung und Zerstörung des Dielektrikums (Isolator) des Kondensators
kurzer Ladezyklus, aber Gefahr der Überladung

Ladeart FET M900-30

Spannungsquelle mit aktiver Strombegrenzung, zum Beginn des Ladevorgangs wird das Kondensatorpack mit einem konstanten Strom geladen aktive Stromregelung
Nahe der Ladeschlussspannung (Schwelle 28,9V) sinkt der Ladestrom auf Grund der nun wirksamen Spannungsregelung und der Wirkung des Innenwiderstands des Kondensatorpacks


Elektrische Anforderungen

Schnellladung des Kondensatorpacks < 30s
Eingangsspannungsbereich 90..270VAC
Konstanter Ausgangsstrom bis 30ADC
Abschaltung beim Erreichen der Ladeschlussspannung von 30V
Der Wirkungsgrad soll bei 85%..90% liegen
Thermischer Überlastschutz, Abschaltung und Signalisierung
Ausgang kurzschlussfest

Mechanische Anforderungen

Kompaktes Gehäuse der Schutzart IP67
Lüfterloses Design


Standartladegeräte

- auf dem Markt erhältliche Ladegeräte sind für NiCd-, NiMH-, Pb-, Li-Ion- und Li-Po-Akku‘s konzipiert.
- prinzipbedingt maximaler Ausgangsstrom nur bis 10A (Faustformel Ladestrom max. 10% von Akkukapazität)
- Ladeschlussspannung bei Pb-Akku-Ladegerät bei 13,8V

Linearnetzteil vs. Schaltnetzteil

Linearnetzteil:
- linear geregelte Netzteile (Netzspannung Trafo Gleichrichter Leistungstransistor als Längsregler) haben den Nachteil, dass ein erheblicher Teil der Energie am Leistungstransistor in Wärme umgewandelt wird ( Betrieb des Leistungstransistor im Linearbereich, „gesteuerter Widerstand“)
- aktive Kühlung (bei kompakter Baugröße) oder große Kühlflächen erforderlich - Konflikt mit Schutzart IP67 bzw. kompakte Abmaße
- Trafo hoher Leistungen groß und schwer Konflikt Abmaße/Gewicht
- Eingangsspannungsbereich durch Trafoübersetzung festgelegt
- Wirkungsgrad oft nur bei 0,6 hohe Energieverluste

Schaltnetzteil:
- Schaltnetzteile (Netzspannung Gleichrichter DC-Zwischenkreis Pulsung HF-Trafo Glättung) haben den Vorteil, dass die Leistungstransistoren im Schalterbetrieb (Sättigungsbereich, voll durchgesteuert) betrieben werden
- bei Einsatz von MOSFETS (geringe Durchlassverluste, da kleiner „On“-Widerstand), Verluste fallen nur im Einschalt- bzw. Ausschaltmoment an (Gateumladung beim Ein- Ausschalten des FET‘s) geringe Verluste kleine Kühlflächen bzw. Verzicht
einer aktiven Lüfterkühlung möglich
- durch hohe Pulsung (Ein- /Ausschaltzyklus) im kHz-Bereich wird der HF-Trafo (Transformation und galvanische Trennung) sehr kompakt geringe Abmaße bzw. geringes Gewicht

Nachteile:
- erhöhter Entwicklungsaufwand, da komplexere Struktur als Lineargeregelte Netzteile durch Pulsung entstehen viele Oberwellen
- erhöhter Filteraufwand Ein- und Ausgangsseitig EMV-Problematik Abschirmungsaufwand höher und EMV gerechtes Design erforderlich


• Recherche gängiger Ladetechniken und Prüfung auf Eignung
• Einarbeitung in die Thematik Schaltnetzteile
• Einarbeitung in die Thematik Leistungsfaktorkorrektur
• Auswahl einer geeigneten Netzteil-Topologie
• Recherche und Auswahl geeigneter Bauelemente
• Entwurf geeigneter Schutzschaltungen und Anzeigen
• Berechnungen und Entwurf des Schaltplans
• Beachtung der EMV-Vorschriften
• Simulation ausgewählter Schaltungsteile z.B.
• Strom- und Spannungsregelung
• Schutzschaltungen
• Entwurf der Leiterplatten
• Aufbau eines Prototyps
• Messungen und Optimierungen
• TÜV- u. EMV-Prüfung


Unterteilung der Schutzarten

Maßnahmen zum Schutz des Ladegerätes
- thermischer Überlastschutz (Temperatursensoren an den Kühlkörpern der Leistungshalbleiter (Dioden, MOSFET‘s)
- Netzunterspannungserkennung (Unterschreitung der Hilfsspannungen kann dazu führen, dass z.B. die MOSFET‘s nicht vollständig durch geschalten werden und somit in Linearbetrieb gelangen Folge starke Erwärmung bis hin zur thermischen Zerstörung)


Maßnahmen zum Schutz des Kondensatorpacks
- Abschaltung bei Ladeschlussspannung Verhinderung Überladung
- Abschalten des Ladestroms bei vorzeitiger Trennung des Kondensatorpacks während des Ladevorgangs

Anzeigen
- Poweranzeige (Netzspannung angeschlossen, gelbe LED)
- Abschaltung wegen Übertemperatur (rote LED)
- Kondensatorpack leer angeschlossen, Ladezyklus läuft ( blinkende grüne LED)
- Kondensatorpack angeschlossen, Ladezyklus abgeschlossen (grüne LED, Dauerlicht)
- Kondensator abgezogen (grüne LED aus)
- Kondensatorpack voll angeschlossen, kein Ladestrom (grüne LED, Dauerlicht)


Primärgetaktetes Schaltnetzteil mit aktiver Power Factor Correction (PFC)
Topologie des Schaltnetzteil: Halbbrückengegentaktwandler




Halbbrückengegentaktwandler

Die eingangsseitige Wechselspannung wird gleichgerichtet und per Leistungsfaktorkorrektur auf ca. 385V hochtransformiert.
Die aktive PFC sorgt ebenfalls für eine nahezu sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz.
Die hochtransformierte Gleichspannung wird durch den Gegentaktwandler in eine pulsförmige Ausgangsspannung „zerhackt“, über einen HF-Transformator an die Ausgangsstufe übertragen.
Der Gegentaktwandler besteht aus zwei Leistungs-MOSFET‘s, die eine Seite der primären Transformatorspule abwechselnd gegen V+ und V- schalten, die andere Seite der primären Transformatorspule wird durch einen kapazitiven Spannungsteiler fest auf V/2 gehalten.
Die Ansteuerung der Leistungstransistoren, erfolgt durch einen Pulsweitenmodulator, der abhängig vom Reglersignal das Verhältnis zwischen Ein- u. Ausschaltzeit variiert.
In der Ausgangsstufe wird ein Teil der übertragenen Leistung in einer Drosselspule gespeichert, die pulsierende Spannung gleichgerichtet und per Tiefpassfilter geglättet.


Ladegerät

- nach Aufsetzen des leeren Kondensatorpacks wird ein Kontakt geschlossen und das Ladegerät aus dem Ruhezustand gebracht
- es erfolgt ein Sanftanlauf (Softstart), in dem die Pulsweite der Ansteuerung kontinuierlich erhöht wird, die grüne LED-Anzeige beginnt zu blinken
- da das leere Kondensatorpack quasi einen Kurzschluss darstellt, ist die Ausgangsspannung nahe Null (Annahme vollständige Entladung), der interne Spannungsregler erhöht die Pulsbreite solange, bis der Stromregler anspricht und den Ausgangsstrom begrenzt, es stellt sich ein Gleichgewicht ein
- der Stromregler begrenzt den Ausgangsstrom solange bis die Ausgangsspannung von ca. 28,9V erreicht ist, jetzt ist nur noch der Spannungsregler aktiv und variiert die Pulsbreite bis die Ladeschlussspannung von ca. 30V erreicht ist, der Ladestrom nimmt infolge der Wirkung des Innenwiderstands des Kondensatorpacks ab bis schließlich die Abschaltung beim Erreichen der Ladeschlussspannung erfolgt, die grüne LED leuchtet jetzt dauerhaft solange das Kondensatorpack angeschlossen ist
- bleibt das Kondensatorpack angeschlossen und sinkt die Ausgangsspannung infolge Selbstentladung unter 29V wird das Ladegerät wieder eingeschalten, es beginnt die Erhaltungsladung bis die Ladespannung wieder bei ca. 30V ist.