Richi´s Lab

Discounter-Ladegerät für 6,99€

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.

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