Kapitel 5: Batterien und Stromversorgung

Alle Geräte, die Sie bauen oder umrüsten, müssen irgendwie mit Energie versorgt werden. Dafür kommen Steckdose, Solar-Module, Akkus aller Art oder ganz einfach AA-Batterien infrage.

In diesem Kapitel werden wir uns eingehend mit Batterien, Akkus und Stromversorgung beschäftigen. Beginnen wir mit Batterien.

5.1 Auswahl einer geeigneten Batterie

Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Batterietypen auf dem Markt verfügbar. Wir werden uns der Einfachheit halber nur die gebräuchlichsten, überall erhältlichen Batterietypen näher ansehen, die auch in den meisten Geräten im Buch zum Einsatz kommen.

5.1.1 Speicherkapazität

Sowohl Einwegbatterien als auch wiederaufladbare Batterien besitzen eine bestimmte Speicherkapazität. Die Hersteller von in Supermärkten erhältlichen Einwegbatterien machen dazu oft keine Angaben, sondern verwenden Bezeichnungen wie »leistungsfähig« oder »hochleistungsfähig«. Stellen Sie sich vor, Sie müssten sich beim Kauf von Milch zwischen einer »normalen Flasche« und einer »großen Flasche« entscheiden, ohne die Flaschen sehen zu können oder zu wissen, wie viele Liter diese enthalten. Über den Grund dafür lässt sich trefflich spekulieren. Vielleicht meinen die Hersteller, dass die breite Öffentlichkeit sowieso nichts mit der Angabe einer Speicherkapazität anfangen kann. Ein anderer Grund könnte sein, dass die Kapazität bei längerer Lagerung absinkt. Oder dass die Kapazität stark davon abhängig ist, wie groß der Strom ist, der beim Entladen fließt.

Wie dem auch sei, wenn ein Batteriehersteller so freundlich ist, Ihnen mitzuteilen, was genau Sie da gerade kaufen, wird die Speicherkapazität in Ah (Amperestunden ) oder mAh (Milliamperestunden ) angegeben. Eine Batterie mit einer Kapazität von 3.000mAh (ein typischer Wert für eine AA-Alkalibatterie) kann also eine Stunde lang 3.000mA oder 3A liefern. Aber es muss natürlich nicht gleich ein Strom von 3A fließen. Wenn Ihr Gerät nur 30mA benötigt, dürfen Sie erwarten, dass die Batterie 100 Stunden (3.000mAh / 30mA) lang hält. Tatsächlich ist der Zusammenhang nicht ganz so einfach, weil bei höheren Strömen die Kapazität sinkt, aber als Faustregel ist diese Berechnung hinreichend genau.

5.1.2 Maximale Entladungsrate

Sie dürfen von einer kleinen Batterie wie einer CR2032-Knopfzelle mit einer Kapazität von 200mAh nicht erwarten, dass sie einen großen Elektromotor mit 20A ein Hundertstel einer Stunde (36 Sekunden) lang antreibt. Dafür gibt es zwei Gründe.

Erstens besitzt jede Batterie einen Innenwiderstand. Es verhält sich so, als ob ein Widerstand an einem der Batteriekontakte angeschlossen wäre. Dieser innere Widerstand ist von der Stromstärke abhängig, er kann jedoch durchaus einige Dutzend Ohm betragen. Schon dadurch wird der Strom begrenzt.

Zweitens erwärmt sich die Batterie , wenn sie durch einen zu hohen Strom entladen wird. Die Batterie kann dabei so heiß werden, dass sie Feuer fängt. Dass die Batterie dabei Schaden nimmt, muss wohl kaum noch erwähnt werden.

Es gibt daher für jede Batterie eine bestimmte Entladungsrate , nämlich die maximale Stromstärke, mit der die Batterie gefahrlos entladen werden kann.

5.1.3 Einwegbatterien

Auch wenn es sich um eine gewisse Verschwendung handelt, ist es manchmal sinnvoll, nicht wiederaufladbare Einwegbatterien zu verwenden. Sie sollten Einwegbatterien in Betracht ziehen, wenn

das Gerät nur minimalen Energiebedarf besitzt und die Batterie ohnehin fast ewig hält.
das Gerät sich an einem Ort befindet, an dem es nicht geladen werden kann.

In Tabelle 5.1 sind verschiedene Einwegbatterien aufgeführt. Die dort genannten Zahlen sind typische Werte, die im Einzelfall natürlich abweichen können.

Typ	Typische Kapazität	Spannung	Maximale Entladungsrate	Besonderheit	Anwendung
Lithium-Knopfzelle (z.B. CR2032)	200mAh	3V	4mA, mit 12mA Spitzen	Betriebstemperatur von –30° bis 80°, klein	Geräte mit geringem Energiebedarf, Fernbedienungen, Schlüsselanhänger-LEDs
Alkali-Batterie PP3	500mAh	9V	800mA	Preiswert, überall erhältlich	Kleine mobile Geräte, Rauchmelder, Gitarren-Effektgeräte
Lithium-PP3	1.200mAh	9V	400mA, mit 800mA Spitzen	Teuer, geringes Gewicht, hohe Kapazität	Radioempfänger
AAA-Batterie	800mAh	1,5V	1,5A dauerhaft	Preiswert, überall erhältlich	Kleine motorisierte Spielzeuge, Fernbedienungen
AA-Batterie	3.000mAh	1,5V	2A dauerhaft	Preiswert, überall erhältlich	Motorisierte Spielzeuge
C-Batterie	6.000mAh	1,5V	Bis zu 4A	Hohe Kapazität	Motorisierte Spielzeuge, Hochleistungs-Leuchten
D-Batterie	15.000mAh	1,5V	Bis zu 6A	Hohe Kapazität	Motorisierte Spielzeuge, Hochleistungs-Leuchten

Tabelle 5.1: Verschiedene Einwegbatterien

Batterien zusammenschalten

Eine einzelne 1,5V-Batterie ist nicht besonders nützlich. Normalerweise werden Sie mehrere davon in Reihe schalten, um eine bestimmte Spannung zu erreichen. Die Speicherkapazität wird dabei nicht erhöht, denn wenn Sie beispielsweise vier 1,5V-Batterien mit einer Kapazität von 2.000mAh in Reihe schalten, beträgt die Kapazität nach wie vor 2.000mAh – allerdings bei einer Spannung von 6V statt 1,5V.

Batteriehalter wie der in Abbildung 5.1 gezeigte sind bestens dafür geeignet, mehrere Batterien in Reihe zu schalten. Wenn Sie einen kurzen Blick auf die Konstruktion des Batteriehalters werfen, ist erkennbar, wie jeweils der positive Pol einer Batterie mit dem negativen Pol der nachfolgenden verbunden ist.

Abb. 5.1: Batteriehalter

Der abgebildete Batteriehalter nimmt sechs AA-Batterien auf und liefert eine Gesamtspannung von 9V. Es gibt Batteriehalter dieser Art für zwei, vier, sechs, acht oder zehn Batterien der Typen AA und AAA.

Ein weiterer Vorteil von Batteriehaltern ist es, dass Sie statt Einwegbatterien auch Akkus verwenden können. Allerdings liefern diese wiederaufladbaren Batterien für gewöhnlich eine etwas niedrigere Spannung. Dem müssen Sie gegebenenfalls beim Berechnen der Gesamtspannung des Batteriehalters Rechnung tragen.

Auswahl einer Batterie

Tabelle 5.2 soll Ihnen dabei helfen, eine geeignete Batter ie für Ihr Projekt zu finden. Auf die Frage »Welche Batterie soll ich verwenden?« gibt es allerdings mitnichten immer eine perfekte Antwort. Betrachten Sie die Angaben in der Tabelle daher als Faustregeln.

Benötigte Leistung	3V	6V	9V	12V
Spitzen von weniger als 12mA, dauerhaft 4mA	Lithium-Knopfzelle (z.B. CR2032)	2 × Lithium-Knopfzelle (z.B. CR2032)	9V-Blockbatterie, Typ PP3	Kommt in der Praxis nicht vor
Spitzen von weniger als 3A, dauerhaft 1,5A	Batteriehalter mit 2 × AAA-Batterien	Batteriehalter mit 4 × AAA-Batterien	Batteriehalter mit 6 × AAA-Batterien	Batteriehalter mit 8 × AAA-Batterien
Spitzen von weniger als 5A, dauerhaft 2A	Batteriehalter mit 2 × AA-Batterien	Batteriehalter mit 4 × AA-Batterien	Batteriehalter mit 6 × AA-Batterien	Batteriehalter mit 8 × AAA-Batterien
Noch mehr	Batteriehalter mit 2 × C- oder D-Batterien	Batteriehalter mit 4 × C- oder D-Batterien	Batteriehalter mit 6 × C- oder D-Batterien	Batteriehalter mit 8 × C- oder D-Batterien

Tabelle 5.2: Auswahl einer geeigneten Einwegbatterie

5.1.4 Akkus

Akkus sind preiswerter und umweltfreundlicher als Einwegbatterien. Auch hier gibt es eine Vielzahl verschiedener Typen und Kapazitäten. Einige Modelle, wie z.B. wiederaufladbare AA- oder AAA-Batterien, sind dafür ausgelegt, Einwegbatterien zu ersetzen und lassen sich entnehmen, damit sie in einem separaten Ladegerät aufgeladen werden können. Wieder andere Modelle werden fest verbaut und es muss nur ein Ladekabel angeschlossen werden, um den Akku zu laden, ohne ihn auszubauen. Durch die Verfügbarkeit preisgünstiger Lithium-Polymer-Akkumulatoren (LiPo-Akkus) mit hoher Kapazität und geringem Gewicht findet dieses Konzept bei immer mehr Geräten Anwendung.

In Tabelle 5.3 sind einige der gebräuchlichsten Akk us zusammengestellt. Es gibt zwar noch viele weitere Typen, aber die aufgeführten Modelle sind die am häufigsten verwendeten. Jedes davon besitzt beim Laden bestimmte Anforderungen, die wir in nachfolgenden Abschnitten näher betrachten.

Typ	Typische Kapazität	Spannung	Besonderheit	Anwendung
NiMH-Knopfzelle	80mAh	2,4 oder 3,6V	Klein	Notstromversorgung bei Batterieausfall
NiMH-AAA-Akku	750mAh	1,25V	Preiswert	Ersatz für AAA-Einwegbatterien
NiMH-AA-Akku	2.000mAh	1,25V	Preiswert	Ersatz für AA-Einwegbatterien
NiMH-C-Akku	4.000mAh	1,25V	Hohe Kapazität	Ersatz für C-Einwegbatterien
Kleiner LiPo-Akku	50mAh	3,7V	Preiswert, kompakt, hohe Kapazität bei geringem Gewicht	Miniatur-Hubschrauber
LC18650 LiPo-Akku	2.200mAh	3,7V	Preiswert, kompakt, hohe Kapazität bei geringem Gewicht, wenig größer als AA	Hochleistungsleuchten, Tesla Roadster (das stimmt tatsächlich, ungefähr 6.800 Stück davon)
LiPo-Akku-Pack	900mAh	7,4V	Preiswert, kompakt, hohe Kapazität bei geringem Gewicht	Mobiltelefone, iPods usw.
Verschlossener Bleiakkumulator	1.200mAh	6 oder 12V	Einfach zu laden und zu verwenden, hohes Gewicht	Alarmanlagen, kleine Elektrofahrzeuge, Elektrorollstühle

Tabelle 5.3: Verschiedene wiederaufladbare Batterien

Tabelle 5.4 fasst die Eigenschaften von Nickelmetallhydrid- (NiMH), Lithium-Polymer- (LiPo) und Bleiakkus zusammen.

	NiMH	LiPo	Bleiakku
Kosten pro mAh	Moderat	Moderat	Gering
Gewicht pro mAh	Moderat	Gering	Hoch
Selbstentladung	Hoch (in 2 bis 3 Monaten entleert)	Gering (6% pro Monat)	Gering (4% pro Monat)
Verträglichkeit voller Auf- und Entladung	Gut	Gut	Gut
Verträglichkeit teilweiser Auf- und Entladung	Moderat (regelmäßige Entladung erhöht die Lebensdauer)	Moderat (ungeeignet für Ladeerhaltung)	Gut

Tabelle 5.4: Eigenschaften verschiedener Akkutechnologien

Wenn Sie den Akku Ihres Geräts fest einbauen möchten, sind LiPo- oder Bleiakku die beste Wahl. Wenn Sie aber nicht auf den Austausch der Akkus verzichten möchten und/oder Einwegbatterien verwenden, stellt ein AA-Batteriehalter einen guten Kompromiss zwischen Kapazität und Größe dar.

Für besonders energiehungrige Geräte sind Bleiakkus, auch wenn es sich um eine altertümliche Technologie handelt, noch immer ziemlich gut geeignet, vorausgesetzt, Sie müssen das Gerät nicht in der Gegend herumtragen. Bleiakkus lassen sich außerdem einfach laden und von den genannten Technologien sind sie die strapazierfähigste. Die Gefahr, dass sie Feuer fangen oder explodieren, ist bei ihnen am geringsten.

5.2 Laden von Batterien und Akkus

Beim Laden gelten einige Grundregeln, die unabhängig von der verwendeten Batterie oder des verwendeten Akkus sind. Lesen Sie zunächst diesen Abschnitt, bevor Sie sich mit den nachfolgenden beschäftigen, in denen bestimmte Typen näher erläutert werden.

5.2.1 C

Der Buchstabe »C« steht für die in Ah oder in mAh angegebene Kapazität eines Akkus . Wenn man sich über das Laden von Akkus unterhält, hört man oft Dinge wie »den Akku mit 0,1C laden« oder »Ladezeit bei 0,5C«. Einen Akku mit 0,1C zu laden bedeutet, dass für den Ladestrom ein Zehntel (0,1) seiner Kapazität verwendet wird. Besitzt ein Akku beispielsweise eine Kapazität von 2.000mAh, dann bedeutet das Laden mit 0,1C, dass er mit einem konstanten Strom von 200mA geladen wird.

5.2.2 Überladung

Die meisten Akkutypen reagieren empfindlich auf eine Überladung . Wenn Sie einen Akku, obwohl er bereits vollständig geladen ist, weiterhin mit einem hohen Ladestrom versorgen, werden Sie ihn beschädigen. Oftmals wird der Akku dabei auch heiß, im Falle eines LiPo-Akkus möglicherweise sogar »feurig« heiß!

Aus diesem Grund verwenden manche Ladegeräte einen sehr geringen Ladestrom (der manchmal auch Erhaltungsladestr om genannt wird), damit der Akku keinen Schaden nimmt. Dadurch wird das Laden natürlich sehr verlangsamt. Andere Ladeger äte verwenden einen Zeitgeber oder eine Schaltung, um festzustellen, ob der Akku bereits geladen ist, und stoppen den Ladevorgang oder wechseln zum Erhaltungsladestrom, der die vollständige Ladung erhält, bis Sie den Akku wieder benutzen.

Bei Akkutypen, die mit einem konstanten Strom geladen werden, insbesondere bei LiPos und Bleiakkus, steigt die Akkuspannung während des Ladens allmählich an, bis sie der Ladespannung entspricht. Der Ladestrom fällt dementsprechend ab.

Viele LiPo-Akkus besitzen mittlerweile einen kleinen Chip, der ein Überladen automatisch verhindert. Halten Sie beim Kauf stets nach derart geschützten Akkus Ausschau.

5.2.3 Tiefentladung

Sie könnten allmählich den Eindruck gewinnen, dass Akkus ein wenig heikel sind. Wenn dem so ist, haben Sie recht. Viele Akkutypen nehmen es nicht nur übel, wenn sie überladen werden, sondern auch, wenn man sie vollständig entlädt. Dies wird als Tiefentladu ng bezeichnet.

5.2.4 Lebensdauer

Wenn Sie einen einige Jahre alten Laptop besitzen, dürften Sie festgestellt haben, dass die Akkulaufzeit allmählich geringer wird, bis das Gerät schließlich nur noch an der Steckdose funktioniert, weil der Akku seiner Aufgabe überhaupt nicht mehr gerecht wird. Akkus können, unabhängig von der eingesetzten Technologie, nur einige hundert Male (vielleicht 500 Mal, bestenfalls 1.000 Mal) aufgeladen werden, bevor sie ersetzt werden müssen.

Viele Hersteller von Unterhaltungselektronik sind dazu übergegangen, Akkus zu verbauen, die vom Endverbraucher nicht mehr ausgetauscht werden können, und begründen das damit, dass die Lebensdauer des Akkus vermutlich größer ist als die Dauer des Interesses der Konsumenten.

5.3 Laden eines NiMH-Akkus

Wenn Sie die Akkus entnehmen können, ist das Laden ziemlich trivial. Legen Sie die Akkus in ein handelsübliches Ladegerät ein, das die Akkus vollständig lädt und den Ladevorgang dann automatisch beendet. Wenn das erledigt ist, können Sie die Akkus wieder einsetzen.

Wenn Sie die Akkus fest einbauen möchten, müssen Sie etwas mehr über die geeignetsten Methoden beim Laden von NiMH-Akkus wissen.

5.3.1 Normales Laden

Die einfachste Methode ist es, den Ladestrom mit einem Widerstand auf den Erhaltungsladestrom zu begrenzen. Abbildung 5.2 zeigt den Schaltplan zum Laden eines aus vier NiMH-Akkus bestehenden Akkusatzes mit einem 12V-Gleichspannungsnetzteil, wie wir es in Kapitel 1 beim Bau des Lötrauchabsaugers verwendet haben.

Wir müssen zunächst festlegen, wie hoch der Ladestrom sein soll, um den Widerstandswert für R1 zu berechnen. NiMH-Akkus können im Allgemeinen problemlos dauerhaft mit 0,1C geladen werden. Wenn die verwendeten wiederaufladbaren AA-Batterien einen C-Wert von 2.000mAh besitzen, können wir also einen Ladestrom von bis zu 200mA verwenden. Um auf der sicheren Seite zu bleiben, würde ich eher einen niedrigeren Ladestrom von 0,05C bzw. 100mA verwenden. Das würde es auch erlauben, meistens nur den Erhaltungsladestrom fließen zu lassen, wenn beispielsweise eine Batterie zur Notstromversorgung geladen werden soll.

Abb. 5.2: Schaltplan zum Laden eines NiMH-Akkusatzes

Die Ladedauer für NiMH-Akkus beträgt typischerweise etwa 3C geteilt durch den Ladestrom , was bei 100mA bedeutet, dass eine Ladezeit von 3 × 2.000mAh / 100mA = 60 Stunden zu erwarten ist.

Zurück zur Berechnung von R1! Wenn die Akkus entladen sind, besitzen sie eine Spannung von etwa 1,0V. Die Spannung über dem Widerstand beträgt somit 12V – 4 × 1V = 8V.

Nach dem ohmschen Gesetz ist R = V / I = 8V / 0,1A = 80 . Wir bleiben aber vorsichtig und wählen einen Widerstandswert von 100 . Mit diesem Wert ergibt sich für den Strom I = V / R = 8V / 100 = 80mA.

Wenn die Akkus vollständig geladen sind, hat sich deren Spannung auf ca. 1,3V erhöht und der Strom reduziert sich auf I = V / R = (12V – 4 × 1,3V) / 100 = 68mA.

Das sieht so weit sehr gut aus, die gewählten 100 machen sich bestens. Nun müssen wir nur noch die erforderliche Belastbarkeit für R1 ermitteln:

P = I × V = 0,08A × 8V = 0,64W = 640mW

Wir sollten daher am besten einen 1-Watt-Widerstand verwenden.

5.3.2 Schnelles Laden

Falls Sie die Akkus schneller laden möchten, ist es am vernünftigsten, ein handelsübliches Ladegerät zu verwenden, das den Ladezustand überwacht und sich abschaltet oder den Ladestrom auf den Erhaltungsladestrom reduziert, sobald die Akkus vollständig geladen sind.

5.4 Laden eines verschlossenen Bleiakkus

Diese Akkus sind die unempfindlichsten unter den verschiedenen Typen und können in gleicher Weise wie NiMH-Akkus geladen werden.

5.4.1 Laden mit regelbarem Labornetzgerät

Wenn Sie die Bleiakkus schneller laden möchten, sollten Sie eine konstante Ladespannung und einen Strom begrenzenden Widerstand verwenden. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem ein entladener 12V-Akku wieder eine Spannung von ca. 14,4V besitzt, können Sie fast den gesamten Strom zum Laden verwenden, den Ihr Netzteil bereitstellen kann (halbieren Sie den Wert für einen 6V-Akku). Der Ladestrom muss erst bei dieser Spannung auf den Erhaltungsladestrom reduziert werden, um zu vermeiden, dass der Akku sich erhitzt.

Am Anfang des Ladevorgangs müssen wir den Strom begrenzen, selbst wenn der Akku sich nicht erwärmt, weil die Verbindungskabel heiß werden könnten und weil die Spannungsquelle auch nur einen begrenzten Strom liefern kann.

Abbildung 5.3 zeigt ein regelbares Labornetzger ät. Wenn Sie sich eingehender mit Elektronik beschäftigen möchten, sollten Sie sich baldmöglichst ein solches Gerät beschaffen. Sie können es nicht nur bei der Arbeit an einem Projekt als Batterieersatz, sondern auch zum Laden nahezu aller Akkutypen verwenden.

Das Gerät erlaubt es Ihnen, eine Ausgangsspannung und einen maximalen Strom einzustellen. Es stellt dann die vorgegebene Spannung bereit, bis der eingestellte Strom erreicht wird. Wenn es so weit ist, sinkt die Spannung, bis auch der Strom wieder unter dem vorgegebenen Wert liegt.

Abb. 5.3: Regelbares Labornetzgerät beim Laden eines Bleiakkus

Zunächst wird ein Wert von 14,4V vorgegeben und ein verschlossener 12V-Bleiakku mit einer Kapazität von 1,3Ah angeschlossen (Abbildung 5.3 a). Wir stellen dann für den Strom einen Minimalwert ein, um unangenehme Überraschungen zu vermeiden. Die Spannung fällt daraufhin sofort auf 11,4V ab (Abbildung 5.3 b), sodass wir den maximalen Strom nach und nach hochregeln können. Sogar ohne Strombegrenzung (mit dem Regler am Anschlag) steigt der Strom nur auf 580mA und die Spannung auf 14,4V an (Abbildung 5.3 c). Nach rund zwei Stunden ist der Strom auf 200mA gesunken, was darauf hinweist, dass der Akku bald vollständig geladen ist. Nach etwa vier Stunden beträgt der Strom nur noch 50mA und der Akku ist nun komplett geladen (Abbildung 5.3 d).

5.5 Laden eines LiPo-Akkus

Die soeben beschriebene Vorgehensweise zum Laden eines Bleiakkus durch ein regelbares Labornetzgerät ist auch für LiPo-Akkus geeignet, wenn wir Spannung und Strom entsprechend einstellen.

Bei einem LiPo-Akku sollte die Spannung 4,2V betragen und bei kleineren Akkus sollte der Strom begrenzt werden (für gewöhnlich auf 0,5A), allerdings werden manchmal zum Laden von funkferngesteuerten Fahrzeugen auch Ströme von bis zu 1C verwendet.

Im Gegensatz zu Bleiakkus und NiMH-Akkus ist es jedoch nicht möglich, mehrere LiPo-Zellen in Reihe zu schalten und die ganze Gruppe wie eine einzige Batterie aufzuladen. Sie müssen die Akkus entweder einzeln aufladen oder ein geregeltes Ladegerät verwenden, das Spannung und Strom der einzelnen Zellen jeweils getrennt voneinander überwacht.

Die sicherste und zuverlässigste Methode zum Laden eines LiPo-Akkus ist die Verwendung eines speziell für diese Aufgabe entwickelten Bausteins. Diese Chips sind preiswert, aber im Allgemeinen nur als SMD-Ausführung erhältlich. Es gibt jedoch eine Reihe vorgefertigter Module, von denen viele das IC MCP73831 verwenden. Abbildung 5.4 zeigt zwei dieser Modu le. Das linke ist von SparkFun (siehe im Anhang Code M16), das rechte war für ein paar Euro bei eBay zu haben.

Abb. 5.4: Lade-Module für LiPo-Akkus

Die beiden Module funktionieren in gleicher Weise. Mittels einer 5V-Spannung am USB-Anschluss laden sie eine einzelne LiPo-Zelle (3,7V). Auf der SparkFun-Platine gibt es neben den Anschlüssen zum Laden des Akkus eine weitere Verbindung zum Akku, an dem Sie die Schaltung anschließen können, die den Akku verwendet. Für diesen Anschluss wird oft ein sogenannter JST-Stecker verwendet, den viele LiPo-Akkus mitbringen, oder eine einfache Schraubklemme. Beim SparkFun-Modul ist der Ladestrom über eine elektrische Brücke einstellbar.

Das andere Modul liefert einen festen Ladestrom von 500mA und besitzt nur einen Anschluss für den Akku.

Für einen Erhaltungsladestrom sind LiPo-Akkus ungeeignet. Wenn Sie die Akkus, etwa als Ersatzbatterien, stets voll geladen benötigen, müssen Sie diese am Lade-Modul belassen.

5.6 Hacken eines Mobiltelefonakkus

Viele Leute besitzen ein oder zwei ältere Mobiltelefone, die irgendwo ungenutzt in einer Schublade herumliegen. Wenn nicht gerade der Akku selbst der Grund für das Schattendasein des Mobiltelefons ist, lässt er sich bestens wiederverwenden. Auch das Netzteil ist äußerst nützlich.

Abbildung 5.5 a zeigt einen ziemlich typischen älteren Mobiltelefonak ku. Der Akku liefert eine Spannung von 3,7V (eine einzelne Zelle) und besitzt eine Kapazität von 1.600mAh (gar nicht übel).

Abb. 5.5: Wiederbelebung eines Mobiltelefonakkus

Mobiltelefonakkus besitzen normalerweise mehr Anschlüsse als nur den Plus- und Minuspol. Es gilt also zunächst herauszufinden, welche der Anschlüsse mit dem Akku verbunden sind.

Stellen Sie auf Ihrem Multimeter einen Messbereich von 20V Gleichspannung ein und testen Sie die verschiedenen Anschlusskombinationen, bis Ihnen eine Spannung von etwa 3,5V (je nachdem, wie gut der Akku noch geladen ist) angezeigt wird (Abbildung 5.5 b).

Diese Akkus besitzen oft vergoldete Kontakte, die sehr gut zum Löten geeignet sind. Wenn Sie Kabel angelötet haben, können Sie die im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Lade-Module zum Wiederaufladen des Akkus verwenden. Abbildung 5.5 c zeigt ebendiesen Vorgang.

5.7 Spannungsregelun g

Auch wenn auf einem Akku 1,5V, 3,7V oder 9V draufsteht, ist es nun mal eine Tatsache, dass die Spannung beim Entladen abnimmt – oft um einen erheblichen Prozentsatz.

Eine nagelneue AA-Alkalibatterie besitzt beispielsweise eine Spannung von 1,5V, die unter Last schnell auf 1,3V abfällt, und liefert bis zu einer Spannung von etwa 1,0V noch eine brauchbare Leistung. Für einen Satz von vier AA-Batterien kann die Spannung also irgendwo zwischen 4V und 6V liegen. Fast alle Batterietypen, ob Einwegware oder wiederaufladbare, zeigen einen ähnlichen Spannungsabfall.

Das ist oft nicht von Bedeutung, hängt jedoch vom Verwendungszweck ab. Ein Motor läuft etwas langsamer oder eine LED leuchtet weniger hell, wenn die Batterien sich allmählich entladen. Einige ICs weisen allerdings eine sehr geringe Spannungstoleranz auf. Es gibt für 3,3V ausgelegte ICs, die nur mit maximal 3,6V betrieben werden dürfen. Auch wenn die Spannung zu sehr abfällt, funktioniert ein solches Bauteil nicht mehr.

Tatsächlich sind die meisten digitalen Schaltungen für eine Spannung von 3,3V oder 5V ausgelegt.

Um eine konstante Spannung zu gewährleisten, benötigen wir einen Spannungsregler . Erfreulicherweise sind diese preiswerten Chips mit drei Pins sehr einfach verwendbar. Sie sehen aus wie Transistoren, und je größer sie sind, desto mehr Strom verkraften sie.

Abbildung 5.6 zeigt, wie der gebräuchlichste Spannungsregler, der die Bezeichnung 78 05 trägt, verwendet wird.

Abb. 5.6: Schaltplan eines Spannungsreglers

Nur durch den Spannungsregler und zwei Kondensatoren lässt sich eine Eingangsspannung zwischen 7V und 25V in konstante 5V wandeln. Die Kondensatoren dienen dabei als eine Art Auffangbecken für Ladungen, wodurch es dem Spannungsregler-IC ermöglicht wird, stabil zu funktionieren.

Beim folgenden Experiment mit einem 7805 lassen wir die Kondensatoren weg, denn die Spannung der 9V-Blockbatterie ist stabil und bei der Last am Ausgang handelt es sich nur um einen Widerstand (Abbildung 5.7 ).

Die Kondensatoren sind bei veränderlicher Last, also bei verschiedenen Strömen, von sehr viel größerer Bedeutung. Bei den meisten Schaltungen gibt es solche veränderlichen Lasten.

Abb. 5.7: Das 7805-Experiment

5.7.1 Erforderliche Bauteile und Werkzeuge

Anzahl	Name	Objekt	Code im Anhang
1		Steckplatine	T5
1	IC1	Spannungsregler 7805	K1, S4
1		Batterieclip	H2
1		9V-Blockbatterie PP3	K1

Bauen Sie die Schaltung wie in Abbildung 5.8 gezeigt auf.

Abb. 5.8: Schematischer Aufbau der 7805-Schaltung

5.7.2 Steckplatine

Bei angeschlossener Batterie sollte das Multimeter eine Spannung von etwa 5V anzeigen.

Sehr häufig wird eine Spannung von 5V verwendet, es gibt jedoch auch für die meisten anderen gebräuchlichen Werte Spannungsregler. Außerdem kann der in Kapitel 4 vorgestellte Baustein LM317 , den wir zur Bereitstellung eines konstanten Stroms verwendet haben, natürlich auch als normaler Spannungsregler eingesetzt werden.

In Tabelle 5.5 sind einige der gängigen Spannungsregler aufgeführt, die verschiedene Ausgangsspannungen bereitstellen und unterschiedliche Ströme verkraften.

Ausgangsspannung	100mA	1A–2A
3,3V	78L33	LF33CV
5V	78L05	7805 (7V bis 25V Eingangsspannung, siehe Anhang, Code S4)
9V	78L09	7809
12V	78L12	7812

Tabelle 5.5: Gängige Spannungsregler

5.8 Spannungsverstärkung

Die im Abschnitt 5.7 vorgestellten Bausteine funktionieren nur, wenn die Eingangsspannung höher als die erwünschte Ausgangsspannung ist. Tatsächlich muss sie für gewöhnlich sogar mehrere Volt höher sein, sofern man nicht die teureren LDO-Spannungregl er (engl. Low Drop-Out ) verwendet, bei denen eine Spannungsdifferenz von einem halben Volt ausreicht.

Manchmal jedoch – und Mobiltelefone sind hierfür ein gutes Beispiel – ist es äußerst praktisch, einen 3,7V-LiPo-Akku mit nur einer Zelle zu verwenden, obwohl die Schaltung eigentlich eine höhere Spannung (oft 5V) benötigt.

In diesem Fall ist ein Gleichspannungswandler nützlich, der aus einem IC und einer kleinen Drahtspule besteht, die durch Induktion eine höhere Spannung bereitstellt. Eigentlich ist dieser Vorgang viel komplizierter, aber Sie werden schon verstehen, worum es geht.

Gleichspannungswandler gibt es in Form vorgefertigter Module, die beispielsweise bei einer Eingangsspannung von 3,7V eine einstellbare Ausgangsspannung zwischen 5V und 25V liefern. Sie kosten etwa 10 Euro.

Abb. 5.9: Kombination aus Ladegerät und Gleichspannungswandler

SparkFun vertreibt ein interessantes Modul (siehe im Anhang Code M17), bei dem ein Gleichspannungswandler mit einem Ladegerät für LiPo-Akkus kombiniert ist. Damit können Sie nicht nur den 3,7V-LiPo-Akku über einen 5V-USB-Anschluss aufladen, sondern auch über den Gleichspannungswandler eine Spannung von 5V bereitstellen (Abbildung 5.9 ). Dadurch können Sie problemlos 3,7V-LiPo-Akkus verwenden, auch wenn ein Gerät vor Ort über einen 5V-USB-Anschluss geladen werden soll. Ihr 5V-Mikrocontroller (oder was auch immer) wird an Plus- und Minuspol angeschlossen, der LiPo-Akku wird eingestöpselt und zum Laden muss nur noch ein USB-Kabel eingesteckt werden.

5.9 Berechnung der Laufzeit

Sie sind bereits mit der Speicherkapazität von Batterien und Akkus in Berührung gekommen, nämlich mit der Anzahl der Milliamperestunden. Bei der Entscheidung, ob ein bestimmter Akku für ein Projekt eine ausreichende Laufzeit bietet, spielen aber noch andere Faktoren eine Rolle. Im Grunde genommen ist es eine Frage des gesunden Menschenverstandes, aber dessen ungeachtet kommt es bei der Einschätzung des Energiebedarfs sehr leicht zu falschen Annahmen.

Ich habe beispielsweise kürzlich eine automatische Tür in meinen Hühnerstall eingebaut. Wenn es morgens dämmert, öffnet sie sich, und wenn es dunkel geworden ist, schließt sie sich wieder. Dafür wird ein Elektromotor eingesetzt, und Elektromotoren benötigen eine Menge Strom. Ich musste also entscheiden, welche Art Batterien verwendet werden sollen. Ich dachte zunächst daran, große D-Batterien oder einen Bleiakku zu verwenden. Aber als ich die Berechnungen anstellte, bemerkte ich schnell, dass das überhaupt nicht notwendig ist.

Zwar benötigt der Elektromotor 1A, wenn er läuft, das tut er aber nur zweimal täglich, jeweils drei Sekunden lang. Die Schaltung zur Ansteuerung des Motors benötigt im Leerlauf 1mA, wie eine Messung zeigt. Rechnen wir also aus, wie viele mAh die Steuerschaltung und der Motor jeweils am Tag benötigen, damit wir ermitteln können, wie viele Tage ein bestimmter Batterietyp durchhält.

Zunächst der Motor:

1A × 3 Sekunden × 2 = 6As = 6/3600Ah 0,0016Ah = 1,6mAh pro Tag

Nun die Schaltung zur Motorsteuerung, die ich für den Strom sparenden Teil des Projekts gehalten hatte:

1mA × 24 Stunden = 24mAh pro Tag

Den Strombedarf des Motors können wir also getrost ignorieren, da er gerade mal ein Fünfzehntel des Stroms benötigt, der für die Steuerung erforderlich ist. Runden wir der Einfachheit halber den täglichen Bedarf von 24mAh + 1,6mAh auf 25mAh ab.

Normale AA-Batterien besitzen eine Kapazität von 3.000mAh. Wenn wir also AA-Batterien verwenden, dürfen wir davon ausgehen, dass diese 3.000mAh / 25mAh pro Tag = 120 Tage lang durchhalten.

Wir brauchen uns also keine weiteren Gedanken zu machen, AA-Batterien reichen völlig aus. Letzten Endes habe ich dieses Projekt dann doch auf Sonnenenergie umgestellt, aber dieses Thema hebe ich mir für den Abschnitt 5.11 später in diesem Kapitel auf.

5.10 Notstromversorgung

Batterien zu ersetzen, ist lästig und teuer, daher ist es oft günstiger und bequemer, Geräte statt mit Batterien an der Steckdose zu betreiben. Das bringt jedoch zwei Nachteile mit sich:

Das Gerät ist nun drahtgebunden.
Bei einem Stromausfall funktioniert das Gerät nicht mehr.

Um in den Genuss der Vorteile beider Betriebsarten zu gelangen, bauen wir eine Notstromversorgung , die vom normalen Stromnetz mit Energie versorgt wird. Es werden also Stromnetz und Batterie verwendet, Letztere kommt aber nur zum Einsatz, wenn das Stromnetz nicht verfügbar ist.

5.10.1 Dioden

Wir müssen irgendwie verhindern, dass die von der Batterie bereitgestellte Spannung und diejenige, die das Netzteil liefert, einander in die Quere kommen, wenn beide verfügbar sind. Wenn die Spannung des Netzteils höher ist als die der Akkus, wird die Batterie aufgeladen. Aber ohne Strombegrenzung könnte das selbst bei wiederaufladbaren Batterien zu einer Katastrophe führen.

Abb. 5.10: Schaltplan der Notstromversorgung

Abbildung 5.10 zeigt einen einfachen Schaltplan für diese Aufgabe. Das Netzteil muss stets eine höhere Spannung als die Batterie besitzen, in diesem Fall 12V und 9V. Im Schaltplan wird die Notstrombatterie zum Betrieb einer Glühlampe eingesetzt.

Wie Sie wissen, arbeiten Dioden ähnlich einem Einbahnstraßenventil und lassen Strom nur in Richtung des Pfeils passieren. Sehen wir uns nun die drei möglichen Fälle an, die eintreten können: Es ist nur die Batterie oder nur das Netzteil verfügbar oder aber beide stehen gleichzeitig bereit (Abbildung 5.11 ).

Abb. 5.11: Dioden in einer Notstromversorgung

Nur Batterie

Wenn nur die Batterie eine von null verschiedene Spannung besitzt (anders ausgedrückt: Das Netzteil ist nicht am Stromnetz angeschlossen), verhält es sich wie in Abbildung 5.11 a. Die 9V der Batterie liegen an der Anode von D2 an, und die Kathode von D2 wird durch die Last der Glühlampe »auf Masse gezogen«. Dadurch wird D2 leitend und es fließt ein Strom durch die Glühlampe. Die Spannung über einer Diode im leitenden Zustand beträgt nahezu konstant 0,5V, daher können wir die Aussage treffen, dass die Spannung hinter der Diode 8,5V beträgt.

Hingegen liegt an der Kathode (in der Abbildung auf der rechten Seite) von D1 mit 8,5V eine höhere Spannung als an der Anode (0V) an, die Diode sperrt also und es fließt kein Strom durch D1.

Nur Netzteil

Wenn nur das Netzteil angeschlossen ist (Abbildung 5.11 b), sind die Rollen der beiden Dioden vertauscht. Der Strom fließt nun durch D1 zur Glühlampe.

Batterie und Netzteil

In Abbildung 5.11 c sind sowohl Batterie als auch Netzteil angeschlossen. Die 12V des Netzteils sorgen dafür, dass an der Kathode von D2 11,5V anliegen. Da an der Anode von D1 nur die 9V der Batterie anliegen, bleibt die Diode im Sperrzustand und es fließt kein Strom.

5.10.2 Ladungserhaltung

Wenn wir statt einer 9V-Batterie einen Batteriehalter mit sechs AA-Akkus verwenden, haben wir fast alles beisammen, was wir zum automatischen Laden der Akkus durch das Netzteil benötigen. Nehmen wir an, die Kapazität der Akkus beträgt 2.000mAh, dann wäre 0,05C = 100mA ein geeigneter Ladestrom.

Auf diese Weise wären die Akkus stets geladen und könnten über die Glühlampe Licht liefern, falls der Strom ausfällt. Abbildung 5.12 zeigt den Schaltplan dafür.

Abb. 5.12: Notstromversorgung mit Aufladung

Die zusätzliche Diode D3 werden Sie möglicherweise nicht erwartet haben. Sie ist vorhanden, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass wir den genauen Aufbau des Netzteils nicht kennen. Wir wissen somit nicht, was passieren würde, wenn der Akkusatz (über R1) mit dem abgeschalteten Netzteil verbunden ist. Möglicherweise würde sich der Akkusatz entladen und das Netzteil könnte dabei Schaden nehmen. Die Diode D3 verhindert, dass in diesem Fall ein Strom fließt.

Durch R1 soll ein Ladestrom von 100mA fließen und uns ist bekannt, dass über dem Widerstand eine Spannung von 12V – 0,5V – 9V = 2,5V liegt, wenn sowohl Netzteil als auch Akkusatz angeschlossen sind. Nach dem ohmschen Gesetz ergibt sich für den Widerstand also:

R = V / I = 2,5V / 0,1A = 25

Der Standardwiderstandswert, der diesem Resultat am nächsten kommt, dürfte 27 sein. Für die Belastbarkeit ergibt sich dann:

P = V² / R = 2,5² / 27 0,23W

Ein normaler 0,25W- oder 0,5W-Widerstand ist also ausreichend.

5.11 Solarzellen

Auf den ersten Blick scheinen Solarzellen die perfekte Energiequelle zu sein. Sie verwandeln Licht in elektrische Energie, sodass Sie theoretisch nie wieder eine Batterie oder eine Steckdose benötigen!

Leider ist es wie so oft im wahren Leben nicht ganz so einfach. Solarzellen produzieren nur vergleichsweise geringe Mengen elektrischer Energie, wenn sie nicht sehr groß sind. Die meisten Solarzellen sind daher am besten für Geräte geeignet, die nur wenig Energie benötigen oder sich im Freien befinden und keinen Zugang zum Stromnetz besitzen.

Falls Sie vorhaben, eine Solarzelle im Haus oder in der Wohnung zu betreiben und kein Fenster mit Blick nach Süden frei ist, können Sie sich das auch schenken. Zwar benötigen Solarzellen keine direkte Sonneneinstrahlung, aber um eine nennenswerte Menge elektrischer Energie zu produzieren, ist freie Sicht auf den Himmel (möglichst Richtung Süden) erforderlich.

Ich habe bislang zwei Projekte mit Solarzellen durchgeführt: Ein solarbetriebenes Radio (die Solarzelle ist so groß wie das gesamte Radio und ja, es muss tatsächlich in der Nähe des Fensters stehen, damit es funktioniert) und eine mit Solarstrom betriebene automatische Hühnerstalltür. Wenn Sie das Glück haben, in einer sonnigen Gegend zu wohnen, vereinfacht das die Verwendung von Solarzellen natürlich ebenfalls.

Abbildung 5.13 zeigt ein typisches Solar-Mod ul, das einer defekten Notbeleuchtungsanlage entstammt. Es ist etwa 10cm × 15cm groß und ist auf einem Schwenk-Neigefuß montiert, damit es zur Sonne ausgerichtet werden kann. Dieses Modul versorgt meine automatische Hühnerstalltür mit Energie.

Abb. 5.13: Ein Solar-Modul

Solarbetriebene Geräte verwenden fast immer auch Akkus, die durch das Solar-Modul geladen werden und dem Gerät dann als Energiequelle dienen.

Kleine Solarzellen liefern üblicherweise eine Spannung von etwa 0,5V und werden daher meist in Solar-Modulen zusammengefasst, damit die Spannung ausreicht, um einen Akku aufzuladen.

Die auf Solar-Modulen angegebenen Spannungswerte beziehen sich normalerweise auf die Spannung der Akkus, die das Solar-Modul aufladen kann. Viele dieser Module werden daher als 6V- oder 12V-Solar-Module bezeichnet. Bei strahlendem Sonnenschein werden Sie an einem 12V-Solar-Modul eine deutlich höhere Spannung von vielleicht 20V messen, die beim Laden eines Akkus jedoch schnell abfällt.

5.11.1 Überprüfen eines Solar-Moduls

Für jedes Solar-Modul gibt es Angaben zur Leistung in Watt und einen Nennwert für die Spannung. Diese Werte werden aber in der Regel nur unter idealen Bedingungen erreicht. Wenn ich ein Solar-Modul verwenden möchte, versuche ich daher herauszufinden, was es tatsächlich zu leisten vermag. Ohne zu wissen, wie viel Energie das Modul bei einer wirklichkeitsnahen Anwendung tatsächlich liefert, ist es schwierig abzuschätzen, wie groß die erforderlichen Akkukapazitäten sein sollten und wie sehr auf einen niedrigen Energieverbrauch geachtet werden muss.

Beim Überprüfen eines Solar-Moduls sollten Sie einen Widerstand als Ersatzlast (zur Simulation einer tatsächlich angeschlossenen Schaltung) verwenden und die Spannung über dem Widerstand an mehreren Orten unterschiedlicher Helligkeit messen. Mit diesen Messwerten können Sie dann den Strom errechnen, den das Solar-Modul liefert.

Abb. 5.14: Überprüfen eines Solar-Moduls

Eine solche Messung an meinem Hühnerstall-Solar-Modul ist in Abbildung 5.14 zu sehen. Das Multimeter zeigt bei einem Widerstand von 100 nur 0,18V an, wenn ich das Solar-Modul auf dem Leuchttisch platziere, den ich beim Fotografieren verwende. Das entspricht einem Strom von ganzen 1,8mA.

Mit einem Tabellenkalkulationsprogramm können Sie das Verhalten des Solar-Moduls erfassen. Abbildung 5.15 zeigt einige Messwerte und ein Balkendiagramm. Sie können darauf zurückgreifen, wenn Sie das nächste Mal ein Solar-Modul verwenden möchten.

Sie können sich die Tabelle unter http://www.hackingelectronics.com herunterladen, die Berechnung ist aber nicht besonders kompliziert.

Wie Sie sehen, liefert das Solar-Modul im Haus selbst bei heller Beleuchtung nur 1 oder 2mA. Im Freien sind die gemessenen Werte etwas besser, aber brauchbare Resultate werden nur bei direkter Sonneneinstrahlung erzielt.

Abb. 5.15: Messwerte eines Solar-Moduls

5.11.2 Ladungserhaltung via Solar-Modul

Das Solar-Modul liefert auch bei nicht optimalen Umgebungsbedingungen eine Spannung, die zum Ladungserhalt eines Akkus ausreicht. Sie sollten zum Schutz des Solar-Moduls aber für den Fall, dass die Spannung des Akkus höher ist als diejenige des Solar-Moduls (z.B. nachts), immer eine Diode verwenden, denn ein Strom in umgekehrter Richtung könnte das Solar-Modul beschädigen.

Abbildung 5.16 zeigt einen typischen Schaltplan für eine solche Ladungserhaltung durch ein Solar-Modul. Hierfür werden noch immer gern Bleiakkus verwendet, weil diese gegen eine geringe Überladung ziemlich unempfindlich sind und eine geringere Selbstentladung stattfindet als etwa bei NiMH-Akkus.

Abb. 5.16: Schaltplan für Ladungserhaltung durch ein Solar-Modul

5.11.3 Minimierung des Energieverbrauchs

Wenn Sie ein kleines solarbetriebenes Projekt vorbereiten, sollten Sie sich vergewissern, dass das verwendete Solar-Modul genügend Energie für die vorgesehene Aufgabe bereitstellen kann.

In Südspanien ist der Entwurf passender Schaltungen nicht besonders schwierig, denn man darf sich während des gesamten Jahres auf reichlich Sonnenschein verlassen. Wenn Sie aber weit entfernt vom Äquator wohnen und ein maritimes Klima vorherrscht, dann ist der Himmel tagsüber nicht selten bedeckt und im Winter sind die Tage kurz. Es kann vorkommen, dass es wochenlang nur kurze, bewölkte Tage gibt. Wenn Ihr Gerät ganzjährig arbeiten soll, müssen Sie daher entweder einen Akku mit entsprechender Kapazität verwenden, der einige Wochen trübes Wetter übersteht, oder ein größeres Solar-Modul einsetzen.

Die Rechnung ist ziemlich einfach: Auf der einen Seite gibt es die mAh, die vom Solar-Modul in den Akku wandern, und auf der anderen Seite gibt es die mAh, die das Gerät dem Akku entnimmt. Das Gerät läuft möglicherweise rund um die Uhr, aber das Solar-Modul ist nur etwa die Hälfte des Tages aktiv (Tageslicht). Schätzen Sie also ab, wie gering die Lichtzufuhr während einer Woche schlimmstenfalls sein könnte, und legen Sie die Akkukapazität oder die Größe des Solar-Moduls entsprechend großzügig aus.

Es ist allerdings oft einfacher und billiger, den Energieverbrauch zu minimieren, statt Akkus höherer Kapazität und größere Solar-Module zu verwenden.

5.12 Zusammenfassung

In diesem Kapitel haben Sie verschiedene Methoden zur Energieversorgung unserer Geräte kennengelernt. Im nächsten Kapitel werden Sie erfahren, wie sich der sehr beliebte Mikrocontroller Arduino verwenden lässt.