Was kann man von einem Ladegerät erwarten, das für 6,99€ verkauft wird?
Als Inverkehrbringer ist auf der
Verpackung die Kompernaß Handelsgesellschat angegeben. Kompernaß ist ein
hochprofitables Unternehmen, dass mit allerlei Elektrogeräten handelt.
Der
tatsächliche Hersteller lässt sich nicht sicher ermitteln. Auf Grund der
Bezeichnung "TRONIC" könnte es sich um die indische Firma Apex Tronic handeln,
die diverse Ladegeräte herstellt.
Das Ladegerät ermöglicht einen Ladestrom von bis zu 1000mA und bietet diverse Funktionen.
Von außen macht das Ladegerät einen günstigen aber dennoch relativ ordentlichen Eindruck.
Die Modellbezeichnung lautet TLG 500 B1. Es existiert ein Vorgängermodell, das die Bezeichnung TLG 500 A1 trägt.
Das Gehäuse ist mit weniger verbreiteten, dreieckigen Sicherheitsschrauben verschraubt.
Den inneren Aufbau des Ladegeräts kann man als kostenoptimal bezeichnen.
Durch einen Schlitz in der Platine führt im geschlossenen Zustand ein Kunststoffstreifen des unteren Gehäuseelements, der die notwendige Isolation zwischen der Netzspannung und dem Niederspannungsbereich darstellt. Durch diesen Aufbau konnte die Platine noch etwas kleiner ausgeführt werden, als wenn die notwendigen Isolationsstrecken nur über Abstände auf der Platine realisiert worden wären.
Die Platine trägt die oberen
Kontakte der Ladeschächte. Um das Layout einlagig und damit günstig halten zu
können, wurden einige Drahtbrücken in Kauf genommen.
Auf der Unterseite sind
mehrere Leiterbahnen verzinnt. Das erhöht nicht nur die Stromtragfähigkeit, an
manchen Stellen ist deutlich erkennbar, dass das Lötzinn der besseren Entwärmung
von Bauteilen dienen sollte.
Die Beschriftung lässt darauf schließen, dass das Design am 9.7.2012 entwickelt wurde.
Die Kombination von THT-, SMT-Bauteilen, verzinnten Leiterbahnen und der möglichst günstigen Fertigung führte zu einer teilweise recht abenteuerlichen Lötqualität.
Die SMT-Bauteile sind auf die Platine aufgeklebt. Vermutlich wurde die ganze Platine mittels eines Wellenlötvorgangs verarbeitet.
Beim Schaltregler handelt es sich um einen
klassischen Flyback-Wandler aufgebaut um den Regler-Baustein AP8012 von AiT
Semiconductor.
Die Arbeitsfrequenz beträgt 45kHz. Eine Variation um +/-5kHz
optimiert die elektromagnetische Abstrahlung. Versorgt wird der Regler selbst
über eine Hilfswicklung auf der Primärseite. Die Regelung der Ausgangsspannungen
erfolgt über einen Optokoppler. Eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist nicht
vorhanden, auf Grund der geringen Leistungsaufnahme aber auch nicht
vorgeschrieben.
Im Eingangsbereich ist zu erkennen, dass
die Schaltung auf das notwendigste reduziert wurde. Bestückplätze für einen
Varistor zwischen den Netzleitungen und einen zusätzlichen Entstörkondensator
hinter dem Gleichrichter verblieben unbestückt.
Nach der Absicherung und
Gleichrichtung folgt ein Pi-Filter aus dem sich der Schaltregler versorgt.
Auf der Platinenunterseite befindet sich die Gleichrichterdiode und an der
Außenkante der Platine ein Glättungskondensator, worüber sich der
Schaltreglerbaustein versorgt.
Unterhalb des Schaltreglerbausteins befindet
sich der RCD-Snubber (R2, R3, C3, D5), der die Überschwinger beim Abschalten des
Leistungstransistor dämpft.
Der im Schaltregler-IC integrierte
Leistungshalbleiter besitzt einen interessanten Aufbau.
Das Blockschaltbild
im Datenblatt zeigt wie man sich die Strukturen erklären kann. Es handelt sich
demnach um zwei MOSFETs, von denen einer eine Strommessung über den Widerstand
R2 zulässt.
Mit an Sicherheit grenzender
Wahrscheinlichkeit handelt es sich um einen Trench-MOSFET. Die große, gemusterte
Struktur dürfte einen leistungsstarken MOSFET darstellen. Das Muster bildet sich
durch die Parallelschaltung von sehr vielen einzelnen Transistoren und die
Verbindung derer Gate-Elektroden. Das Gate-Potential muss folglich über das Pad
links unten zugeführt werden. Mittig ist sehr schön das Fenster für die
Bonddrähte des Leistungspfades zu sehen. Zur Anbindung an die Pins des Packages
wurden drei Bonddrähte eingesetzt.
Der gemeinsame Knoten SW dürfte sich
typisch für einen Trench-MOSFET unterhalb der sichtbaren Strukturen befinden.
Der Abstand zwischen dem inneren Bereich und dem Metallrahmen am Rand des Dies
ist notwendig, um die Spannungsfestigkeit von 800V einhalten zu können.
Die rund eingefasste Struktur unten rechts
stellt den zweiten MOSFET dar. Die Gitterstruktur ist auch hier deutlich zu
erkennen. Daneben befindet sich der Gate-Anschluss dieses Transistors.
Das
bedeutet, dass der zweite Transistor zur Strommessung sehr viel kleiner
ausgeführt wurde als der Transistor, der den Großteil des Stromflusses
übernimmt. Durch die aufgeteilten Gate-Anschlüsse könnten die beiden
Transistoren auch unabhängig voneinander angesteuert werden.
Der Anschluss in der links daneben liegenden, rund eingefassten Struktur dürfte das Potential des Shunts zur Strommessung übertragen. Höchstwahrscheinlich handelt es sich nicht um ein klar definierbares Widerstandselement, sondern vielmehr um einen Teil der MOSFET-Struktur.
Etwas ungewöhnlich erscheint die
Realisierung der notwendigen Isolationsstrecke zwischen der Netzspannung und der
restlichen Elektronik des Ladegeräts. Innerhalb des Transformators realisiert
die Isolation der Litzen die Spannungsfestigkeit zwischen Primär- und
Sekundärwicklung. An den Leitungen der Sekundärseite ist zu sehen, dass dort
eine doppelte Isolierung eingesetzt wurde, die sich aus der Isolation der
Leitung und einem zusätzlichen Isolierschlauch zusammensetzt.
Neben der
Isolation der Litzen untereinander ist auch eine ausreichende Luft- und
Kriechstrecke einzuhalten. Oftmals besitzen die Transformatoren solcher
Schaltregler daher noch ein Kunststoffteil, das breiter ist als es der
Transformator selbst erfordern würde. Hier wurden die Mindestabstände anders
sichergestellt. Die vier Litzen der Sekundärseite kontaktieren erst relativ weit
weg vom Transformator die Platine. Die Strecke, die die Litzen überbrücken
stellen den notwendigen Isolationsabstand dar.
Dass man diesen Bereich, der
zusätzlich mit einer weißen Masse fixiert wurde, als die eigentliche
Isolationsstrecke erachtete, ist auch auf der Platinenunterseite zu erkennen.
Die gefährlich hohen Potentiale werden dort bis zum sekundärseitigen Ende des
Transformators geführt. Zwei blaue Kondensatoren verbinden die Masse der
Niederspannungsseite mit dem Massepotential der Hochspannungsseite und leiten
hochfrequente Störungen ab. Die Serienschaltung sorgt für die notwendige
Spannungsfestigkeit, die von einer Kapazität gefordert wird, die die
Isolationsstrecke überbrückt.
Der Transformator besitzt auf der Sekundärseite
keine Pins. Was aus Sicht der Kosten und dem Layout sicher von Vorteil ist, kann
bei Vibrationen zu mechanischen Problemen führen. Auf Grund der Baugröße lässt
sich der Transformator vermutlich relativ gut zu mechanischen Schwingungen
anregen, was wiederum zu Ermüdungserscheinungen der primärseitigen Pins führen
könnte. Die minimale Fixierung über die weiße Masse an der sekundärseitigen
Kante ist folglich äußerst wichtig und dürfte durchaus noch etwas großzügiger
ausfallen.
Der Transformator besitzt sekundärseitig
zwei Wicklungen. Die eine Wicklung versorgt die Rundzellenschächte. Die zweite
Wicklung erzeugt eine höhere Spannung, die es ermöglicht die 9V-Batterien zu
laden. Außerdem versorgt sie indirekt die Steuerlogik und die Leuchtdioden.
Würde man alle Schaltungsteile mit einer Spannungslage versorgen wollen, so
müsste die Spannung ausreichend hoch sein, um 9V-Batterie zu laden. Die
niedrigere Spannung für die Rundzellen würde dann eine Regelung notwendig
machen, die sehr viel Verlustleistung abführen müsste.
Verschiedene
Querschnitte weisen auf die unterschiedlichen Stromaufnahmen der Schaltungsteile
hin. 9V-Blöcke werden jeweils mit maximal 30mA geladen. Der Strom für die
Steuerung dürfte kaum ins Gewicht fallen. Für die Rundzellen und die Steuerung
müssen etwas mehr als 2A veranschlagt werden.
Die große THT-Diode D8 stellt den Gleichrichter für die niedrigere Versorgungsspannung dar. Es folgen mehrere Glättungskondensatoren.
Auf der Platinenunterseite befinden sich
die restlichen Bauteile zur Aufbereitung der Versorgungsspannungen. Die
niedrigere Versorgungsspannung wird im oberen Bereich gleichgerichtet und
geglättet, wo die verstärkten Leiterbahnen ins Auge stechen.
Zwei roten
Klebepunkte markieren deutlich zwei Bestückplätze für SMT-Dioden (D8, D9). Diese
Dioden könnten anstatt der großen THT-Gleichrichterdiode auf der
Platinenoberseite bestückt werden. Monetär war die Alternative sicherlich
nützlich, die Parallelschaltung von zwei einzelnen Dioden wirft allerdings
technisch einige Fragen auf: Üblicherweise ist die Stromaufteilung bei zwei
parallel geschalteten Dioden alles andere als ideal. Die wärmere Diode hat eine
geringere Flussspannung, lässt dadurch mehr Strom fließen und erwärmt sich
weiter. Dazu kommt, dass zwei parallel geschaltete Dioden tendenziell eine
höhere Sperrschichtkapazität besitzen als eine einzelne Diode. Diese Kapazität
muss mit der Arbeitsfrequenz des Schaltreglers (45kHz) umgeladen werden und
erzeugt Verluste. Auf Grund der geringen Ausgangsspannung werden die
Umladeverluste sehr viel geringer sein als die Verluste, die durch die
Flussspannung bedingt sind. Dennoch kann der Anteil relevant sein.
Befinden
sich keine Batterien in den Rundzellenschächten, so ist die Versorgung
unbelastet. Bei einem Flyback-Regler führt das dazu, dass die Ausgangsspannung
erheblich ansteigt. Um diesen Effekt zu umgehen, befindet sich am Ausgang ein
390Ohm-Widerstand, der eine gewisse Grundlast darstellt.
Die Rückkopplung, die dem Reglerchip
ermöglicht die Ausgangsspannung auf dem gewünschten Wert zu halten, wird aus der
eben beschriebenen niedrigen Versorgungsspannung abgezweigt. Das führt auf Grund
der nicht idealen Kopplung im Transformator und den unterschiedlichen Lasten
zwangsläufig dazu, dass die höhere Versorgungsspannung weniger genau geregelt
werden kann. Die Ungenauigkeit ist allerdings weniger kritisch, da im Pfad der
höheren Versorgungsspannung noch Regler folgen, die die notwendigen Spannungen
exakt einstellen.
Hier zeigt sich eine weitere Notwendigkeit für die
Grundlast an der niedrigeren Ausgangsspannung. Ist sie nicht belastet und steigt
entsprechend ihre Spannung stark an, so führt die dortige Anbindung der
Regelschleife zu einer Reduktion des Energietransfers von der Primär- zu
Sekundärseite. Das bedeutet aber wiederum, dass auch die Spannung der zweiten
Versorgung einbricht, was zu problematisch niedrigen Ausgangsspannungen führen
kann.
Die Anbindung der Rückkopplung weist ein interessantes Layout auf: Das
Ausgangspotential fließt über die Diode D11 zum Optokoppler. Das
Ausgangspotential wird allerdings nicht auf dem kürzesten Weg direkt links der
Diode D11 abgegriffen, da dort noch hochfrequente Ströme sichtbar sind, die die
Regelung stören könnten. Stattdessen ist eine Leiterbahn bis hinter den
Glättungskondensator geführt, wo das Ausgangspotential relativ stabil und
störungsfrei abgegriffen werden kann.
Direkt am Ausgang befindet sich kein
Keramikkondensator, nur ein Elektrolytkondensator mit relativ schlechten
Hochfrequenzeigenschaften. Vermutlich wurde aus diesem Grund an der Diode D11
ein Keramikkondensator ergänzt. Dieser leitet verbliebene hochfrequente
Störungen und eventuelle Einkopplungen aus den parallel liegenden Leiterbahnen
ab.
Dass die Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung nicht höchste Priorität
hatte, zeigt sich daran, dass der Optokoppler der Regelschleife nur über einen
Spannungsteiler eingebunden ist. Auf eine Z-Diode als Referenzspannungsquelle,
wie sie bei solchen Schaltreglern üblich ist, wurde verzichtet.
Die Gleichrichtung der höheren Versorgungsspannung übernimmt die SMT-Diode D10 direkt neben dem Optokoppler. Darauf folgt nur noch ein Elektrolytkondensator.
Aus dem höheren Versorgungspotential
werden drei weitere Potentiale erzeugt.
Unterhalb des Optokopplers bilden ein
TO92-Transistor und eine Z-Diode eine Vorregelung für die Ladeschaltungen der
9V-Blöcke.
Links des Optokopplers befindet sich eine Referenzspannungsquelle
in einem SOT23-Gehäuse (U3), die einen Transistor im TO92-Transistor steuert.
Daraus wird die Spannung generiert, die den Mikrocontroller versorgt.
Aus der
Versorgung des Mikrocontrollers generieren zwei weitere Referenzspannungsquellen
(U5, U6), die von der SMD-Diode D12 versorgt werden, eine zusätzliche
Versorgungsspannung für die Leuchtdioden, die im Vergleich zum Mikrocontroller
die halbe Betriebsspannung benötigen. Dadurch wird es möglich die roten und
grünen Leuchtdioden sehr kostengünstig anzusteuern. Bei den Leuchtdioden handelt
es sich um Duo-LEDs, in denen die beiden Leuchtdioden antiparallel verschaltet
und nur zwei Anschlüssen nach außen geführt sind. Über Drahtbrücken und
Vorwiderstände erhält jede der Duo-LEDs die halbe Versorgungsspannung. Es reicht
dann den anderen Pin der an einen einzigen Push-Pull-Ausgang des
Mikrocontrollers anzuschließen um beide Farben einzeln ansteuern zu können.
Abgesehen vom Regelkreis befindet sich an den Ausgängen des Schaltreglers kein einziger Keramikkondensator zur Entstörung der höheren Frequenzbereiche. Für die niedrigere Versorgungsspannung wurde erst an der linken unteren Ecke der Platine ein Keramikkondensator bestückt. Scheinbar war die elektromagnetische Verträglichkeit auch so gegeben.
Zur Steuerung wurde ein Holtek-Mikrocontroller eingesetzt. Es handelt sich um das Modell HT45R2G.
Die Anzahl der Schnittstellen die der
Mikrocontroller zu bedienen hat ist nicht unerheblich. Er muss zweimal sechs
Leuchtdioden ansteuern, sechs Spannungen überwachen, sechs Lade- und sechs
Entladeschaltungen kontrollieren. Ohne Weiteres wären das 30 Signale. Der
Aufwand konnte aber deutlich reduziert werden: Durch den Einsatz der Duo-LEDs
benötigen die Leuchtdioden nur sechs Push-Pull-Ausgänge. Die Kopplung der Lade-
und Entlade-Transistoren halbiert ebenfalls die Anzahl der notwendigen Ausgänge.
Insgesamt war somit ein SO20-Package ausreichend.
Eine diskrete
Temperaturmessung existiert nicht, weder für die einzelnen Batteriezellen, noch
für das gesamte Gerät. Es ist natürlich denkbar, dass die vorhandenen Signale
und Bauteile so ausgewertet werden, dass auf eine Temperatur geschlossen werden
kann.
Links des Mikrocontrollers sind sechs
Keramikkondensatoren an Potentialen platziert, über die die Spannungen der
Batterieschächte gemessen werden. Die Kondensatoren bilden mit
10kOhm-Widerständen direkt an den Batterieanschlüssen RC-Glieder, die die
Signale filtern und so die Messung erleichtern.
Die Widerstände befinden sich
direkt an den Batterieschächten. Aus Sicht der Signalintegrität ist das nicht
ideal, da das Signal so relativ hochohmig eine weite Strecke auf der Platine
überbrücken muss und leicht gestört werden kann. Eine Platzierung direkt am
Mikrocontroller wäre besser gewesen, hätte aber mehr Aufwand beim Layout
erzeugt. Vermutlich hätte sich die Platinenfläche vergrößert.
Jede der vier Rundzellen-Ladeflächen sind
vier größere SMD-Widerstände zugeordnet, zwei parallel geschaltete
0,1Ohm-Widerstände und zwei parallel geschaltete 1,6Ohm-Widerstände (unten
rechts). Die 1,6Ohm-Widerstände realisieren mit einem SOT23-Transistor, hier dem
Q202, die Entladung der jeweiligen Batterie. Die Bauteile befinden sich zwischen
den Anschlüssen der Batterie. Der Transistor arbeitet mit Bezug auf das
Massepotential. Geladen wird die jeweilige Batterie über die 0,1Ohm-Widerstände
und einen TO92-Transistor vom Typ 8050 (an der unteren Kante), die in der
Zuleitung eingefügt sind. Das zusätzliche Lötzinn am mittleren Pin des
Transistors verbessert die Abfuhr der Verlustleistung. Die 0,1Ohm-Widerstände
dienen nur der Steuerung und nicht der Messung des Ladestroms. Der
Mikrocontroller hat keine Möglichkeit den Ladestrom zu überwachen.
Die
Ansteuerung des Entlade- und des Ladetransistors über einen Pin des
Mikrocontroller ist möglich, da die beiden Transistoren unterschiedliche
Bezugspotentiale besitzen.
Das Versorgungspotential des Mikrocontrollers ist
über 10kOhm-Widerstände direkt an die oberen Kontakte der Ladeflächen
angeschlossen. Diese Verschaltung war wohl notwendig, um auch ohne Batterien ein
definiertes Potential sicherstellen zu können. Vermutlich erleichtert der
Pull-Up-Widerstand auch die Erkennung von eingelegten Batterien.
Die Ladeschnittstellen für die 9V-Batterien sind nach dem selben Prinzip aufgebaut.