Elektronischer 6-V-Spannungsregler für Gleichstrom-LiMa zum Selbstbau

Die folgende Anleitung wendet sich an fortgeschrittene Elektronik-Bastler, die anhand des Schaltplanes und dem Layout in der Lage sind, die vorgeschlagene Schaltung eines 6-V-Reglers umzusetzen und in Betrieb zu nehmen.

Die Reglerschaltung weist gegenüber früheren Versionen folgende Verbesserungen auf:

- Abgleichbauelemente entfallen durch Einsatz einer präzisen Spannungsreferenz

- Verwendung eines FETs als Leistungselement verringert jnterne Ansteuerleistung

- Einsatz eines Miniaturrelais´ zur Sicherung der Selbsterregung der LiMa (Anschiebebetrieb möglich)

- Kompensation der Temperaturcharakteristik von Bleiakkus durch optionalen Einsatz eines Si-Temperatursensors

- verbesserter Schutz gegen Spannungs-Störspitzen

Schaltungsbeschreibung

Die temperaturstabile und präzise Spannungsreferenz des Reglers wird mit dem integrierten Element TL431 realisiert, so dass keinerlei Abgleichelemente erforderlich sind.

Im Istwert-Zweig ist ein temperaturabhängiger Widerstand (KTY81-222) angeordnet, der die Temperatur-Charakteristik von Bleiakkus (-4mV/K und Zelle) kompensiert. Der Thermistor ist im Layout an der Seite der Platine in der Nähe der Befestigungsschraube platziert, wo die Umgebungstemperatur durch den Leistungsumsatz auf der Platine kaum gestört wird. Wird keine Temperaturkompensation gewünscht, ist der Thermistor einfach durch einen Festwiderstand von 2k zu ersetzen.

Als Regelverstärker wird ein integrierter OPV eingesetzt, der den Leistungs-FET IRF4905 direkt ansteuert. Das zweite System des TS912 wäre für zusätzliche Funktionen frei, wird aber hier nicht genutzt. Der Einsatz des FETs zieht allerdings die Notwendigkeit einer „Starthilfe“ nach sich, die von einem Relais bewirkt wird. Dieser scheinbare „technologische Rückschritt“eines Relais´ bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass sich der Regler bezüglich der Initialisierung genau wie ein elektromechanischer Regler verhält, also für den Anschiebebetrieb geeignet ist.

Das Relais zieht bei Erreichen von etwa 4V LiMa-Spannung (Feldstrom 2,5A) an und öffnet damit die Verbindung von D+ und DF, wobei die Elektronik von diesem Moment an die Regelung übernimmt.

Um die 6-V-LiMa für 12-V-Betrieb „höher zu legen“, müssen R2 auf 30k und R1 auf 10k geändert werden. Des weiteren muss ein 12-V-Relais eingesetzt werden und die Supressordiode D7 ist für die höhere Spannung auszulegen. Zu beachten ist, dass die Verlustleistung des FET im 12-V-Betrieb steigt und für ausreichende Kühlung zu sorgen ist.

Layout

Das Layout orientiert sich wie auch die Vorgängerversionen an den äußeren Abmessungen der Grundplatte der elektro-mechanischen Regler. Die von der Schaltung belegte Fläche ist jedoch deutlich geringer, so dass der mechanische Einbau z, B, in den Spulenkasten der RT denkbar ist. Im letzteren Fall wäre die Temperaturkompensation auf der Platine nicht sinnvoll. Wenn überhaupt, dann müsste der Thermistor an einen geeigneten Ort außerhalb des Spulenkastens angebracht werden.

Abmessungen der Platine 101,6 x 50,8.

Draufsicht auf Bestückungsseite (Leiterseite = Bestückungsseite)

Gespiegeltes Layout zum „Aufbügeln“

		6-V-Variante	CONRAD	12-V-Variante	EUR

R0	SMD	10	42 74 03		0,06
R4-optional 1)	Si-Temp.Sensor	KTY81-222	15 36 53		1,16
R4-optional 1)	SMD	2k	42 79 50		0,06
R1	SMD	4,3k	42 80 35	8,2k - 42 81 08	0,06
R3	SMD	4,3k	42 80 35		0,06
R5	SMD	8,2k	42 81 08		0,06
R2	SMD	12k	42 81 40	33k // 220k - 42 82 48, 42 84 42	0,06
R6	SMD	12k	42 81 40		0,06
R7	1/8W, BF 207	10	41 80 13		0,10

A1	OPV DIL8	TS912	15 16 96		1,75
T1	FET	IRF4905	16 23 99		1,56

D1	Schottky	40CTQ045	16 35 73	entfällt	2,44
D2, D3	Aktive Z-Diode	TL431	17 61 76 2x		2x 0,86
D4, D5	Schottky	SB120	16 02 04 2x		2x 0,16
D6	Universal-Diode	1N4004	16 22 48		0,08
D7	Suppressordiode	P6KE12CA	16 79 75	P6KE24CA - 16 80 25	1,05

C1	SMD	47uF/25V	44 51 64		0,15
C2	SMD	47nF	44 54 68		0,09
Relais		842-1C-S-6V/3A	50 42 59	842-1C-S-12V/3A - 50 42 72	1,15

1) Betrieb ohne Temperatursensor: Ersatz des Sensors durch 2k-Widerstand

Einbau der Reglerplatine in ein Standard-Reglergehäuse mit Alu-Kappe

Die Anschlussdrähte eines alten (defekten?) Regler-Relais´ werden abgelötet und das Relais nach Lösen der beiden Bodenschrauben entfernt. Die Reglerplatine wird entsprechend der roten Kontur zugeschnitten und auf der Grundplatte des alten Reglergehäuses mit dem Kupferwinkel (gleichzeitig D+ Kontakt) verschraubt.

Der D+ Kupferwinkel wird im Gegensatz zur üblichen Montage aus Platzgründen auf der Platinenrückseite mit einem Messinghohlniet verlötet und auf der Vorderseite mit einer M4-Schraube auf der D+ Schiene des Gehäuses befestigt.

Der Zufall will es, dass in dieser Einbaulage die Kontaktfahnen für DF und 51 genau vor den entsprechenden Lötkontakten des Reglergehäuses liegen. Die Kontaktfahnen werden mit einem etwas kräftigeren Lötkolben direkt verlötet. Dies gewährleistet neben einem niedrigem elektrischen auch einen ebenso niedrigen thermischen Widerstand zur Abführung der Verlustwärme an die Metallschienen, die zu den Flachsteckkontakten führen.

Schließlich wird die Massezuführung mit einem massiven Cu-Draht hergestellt.

In ähnlicher Weise kann die Platine in einen Spulenkasten der RT eingebaut werden, da die Abmessungen des Reglerrelais´ mit denen der späteren Ausführung im Alu-Bechergehäuse identisch sind. Lediglich die elektrischen Anschlüsse werden – wie im RT-Spulenkasten vorgesehen – über angelötete Drahtverbindungen zu den entsprechenden Kontakten geführt.

Der Messteiler 12k – (4,3k + 2,02k) liefert bei 2,495V Referenz am oberen Ende 7,23 V.

Ersatz 12k durch 12k // 150k = 11,11k ergibt 6,88V und bei Direktanschluss an (51) einen

permanenten Entladestrom von 0,35mA, macht in drei Monaten (90 x 24h = 2160h) eine

Entladung von 0,77 Ah.

Die gewerbliche Nutzung/Verwertung der oben beschriebenen Schaltung sowie der der Schaltung zu Grunde liegenden Idee auch in modifizierter schaltungstechnischer oder technologischer Form ist untersagt!