Solar-Basteleien für Smartphone und / oder Portabelfunk
Wie kommt die Sonnenenergie in den Akku?
Für längere Aufenthalte in der freien Natur, ohne den Zugriff auf eine 230 V Netzsteckdose oder die voll geladene
12 V Autobatterie, benötige ich unabhängige Energieversorgungen für mein Smartphone GALAXY S (5 V DC USB) und
portable Funkaktivitäten mit dem FT-817 (12 V DC). Von den vielen theoretischen Möglichkeiten blieb aus Kosten- und
Gewichtsgründen zum Schluß nur die Verwendung von Solarmodulen übrig.
Wie sich nach einigen Versuchen herausstellte, ist es schwierig, eine universelle Solar-Stromversorgung für 5 V und / oder
12 V mit hohem Wirkungsgrad zu bauen. Deshalb entstanden schließlich unterschiedliche Solar-Lader, jeder für seinen
Einsatz optimiert.
Die Sache mit dem Innenwiderstand
Eine Solarzelle liefert eine Spannung von etwa 0,5 V. So kann man es überall lesen. Diese Aussage stimmt jedoch nur unter bestimmten Bedingungen. Als der liebe Gott die Solarzelle schuf hat der Teufel leider seine Finger im Spiel gehabt und der Solarzelle einen Innenwiderstand eingebaut. Dieser ist bei starker Beleuchtung der Solarzelle niedrig und bei schwacher Beleuchtung hoch. Ein angeschlossener Verbraucher müßte diesem Spiel folgen können um immer die maximal mögliche Leistung aus der Solarzelle entnehmen zu können. Dafür braucht es Intelligenz, auch bekannt als MPPT (Maximum Power Point Tracking) [1]. Die Ladeschaltung im Smartphone Galaxy S kann das nicht.
Ein Solar-Lader für das Smartphone Galaxy S
Über ebay fand ich in China preiswerte Solarmodule mit den Abmessungen 118 mm x 128 mm. Diese passen nebst einer
USB-Buchse mechanisch gut in eine dicke transparente CD-Hülle, bei der die dunkle Halterung für die CD entfernt wurde.
Mit einer angegebenen Leerlaufspannung von 7,5 V erschien mir so ein Modul gut geeignet, mein Smartphone zu laden.
Erste unbekümmerte Experimente führten jedoch zu gründlicherem Nachdenken.
Fehlschlag 1: Ein sicherheitshalber vorgesehener 5,0 V LDO-Spannungsregler zwischen Solarmodul und USB-Buchse
funktioniert zwar theoretisch gut, in der Praxis sinkt jedoch die Ausgangsspannung des Solarmoduls wegen dessen hohem
Innenwiderstand bis auf 4,1 V ab, wenn das Smartphone Ladestrom zieht. Diese "Lösung" funktioniert nicht.
Fehlschlag 2: Man nehme einen Step-Up Schaltregler, der aus den 4,1 V wieder 5,0 V macht. Meine Versuche mit
einem MC34068 verliefen wegen einem erreichten Wirkungsgrad von nur etwa 40 % völlig unbefriedigend.
Erkenntnis 1: Mein Galaxy S fängt bei 4,1 V an der USB-Buchse an zu laden und zieht dann 35 mA Strom.
Der Ladestrom steigt mit der verfügbaren Spannung an der USB-Buchse und beträgt bei 5,0 V 450 mA.
Erkenntnis 2: Wenn sich die Ladekurve der 100 % nähert, dann schaltet die interne Ladeschaltung des Galaxy S auf
"Trickle Charging" um. Es werden dann nur noch mehr oder weniger lange Impulse mit hohem Ladestrom gemessen.
Erkenntnis 3: Die Anzeige des Ladezustands in meinem Smartphone ist widersprüchlich. Während das Ladesymbol
in der oberen Zeile des Display bei angeschlossenem Solar-Lader und mäßigem Sonnenschein freudig blinkt und den
Ladezustand signalisiert sowie in der Balkendarstellung unter der Grafik ebenfalls ein grüner Balken behauptet, daß
wir im Ladezustand seien, ist die Ladekurve ehrlich und zeigt mit ihrem fallenden Verlauf "Entladen" an.
Erkenntnis 4: Nun ist mir klar, warum manche Hersteller von "Solar-Chargern" versuchen, den Umweg über einen
im Charger integrierten Akku zu gehen. Der Zwischenakku wird über das oftmals recht kleine Solarmodul mühsam langsam
aufgeladen und soll dann bei Bedarf seine gespeicherte Energie zum Laden des internen Akku im Smartphone bereitstellen
oder das Smartphone direkt betreiben.
Prinzipiell eine gute Idee, denn diesen Energievorrat kann man Tag und Nacht nutzen, falls er denn vorhanden ist.
Wenn da nicht die Sache mit der Multiplikation der Wirkungsgrade wäre. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Akkulader
von jeweils 60 % erreichen bei diesem Verfahren nur 0,6 x 0,6 = 36 % der kostbaren Energie des Solarmoduls den
Smartphone-Akku.
Wie sich ein NiMH- oder Lithium-Akku bei gemessenen 68 °C im prallen Frühlings-Sonnenlicht verhält, habe ich nirgendwo
lesen können. Ich werde meine Akkus nicht dem direkten Sonnenlicht aussetzen. Einige Hersteller schreiben auf ihre
Lithium-Akkus "Gebrauchstemperatur max. 60 °C".
Erkenntnis 5: Jeder zusätzliche Wandler zwischen Solarmodul und Smartphone verbietet sich aus Gründen des
Wirkungsgrades. Da ein Solarmodul eine je nach Beleuchtungsintensität schwankende Spannung bereitstellt, muß eine
zusätzliche Schaltung dafür sorgen, daß die maximale Spannung von 5,25 V laut USB-Spezifikation an der USB-Buchse
eingehalten wird.
Ausweg aus dem Dilemma: Unter Ausnutzung des nun einmal vorhandenen Innenwiderstandes des Solarmoduls besteht
die Lösung in einer simplen 5,25 V Leistungs-Z-Diode, die über die Anschlüsse des Solarmoduls gelötet wird. Ich habe
mir aus der Bastelkiste eine geeignete 1N5338B ausgemessen.
Schaltbild | Solarmodul | Aufbau | Ladekurve |
Erste Erfahrungen: Das Laden des internen Akkus in meinem Smartphone funktioniert bei wolkenlosem Himmel und
Sonnenschein zufriedenstellend. Das Solarmodul wird ab und zu von Hand senkrecht zur Sonne ausgerichtet.
Der interne Akku wurde in 4 Stunden von 30 % auf 90 % aufgeladen.
Bei bedecktem Himmel wird der Akku nicht geladen, obwohl die Ladeanzeige blinkt.
Bei Sonnenschein und ab und zu vorbeiziehenden Wolken und einem Ladestand des Akkus von unter 20 % ertönt jedes mal der
Signalton "Akku leer - Bitte Laden". Auf die Dauer eine nervige Angelegenheit.
Hinweis: Wegen einiger Anfragen teile ich mit, daß bei meinem SAMSUNG Galaxy S I9000 ohne irgendeine Beschaltung
der USB-Datenpins der interne Akku geladen wird (Die beiden mittleren Pins der USB-Buchse am Solarmodul bleiben frei.).
Ein Solarmodul 12 V / 1 A für den Portabelfunk mit YAESU FT-817
Auch hier macht es der relativ hohe Innenwiderstand eines Solarmoduls schwierig, die beim Senden mit 5 W benötigten
13,8 V mit 2 A direkt aus dem Solarmodul bereit zu stellen. Da ich auch in der Dunkelheit Funkbetrieb machen will blieb
als Ausweg nur die Zwischenspeicherung in einem Akku.
Ein voll geladener NiMH-Akku mit 12 V und 8 Ah erlaubt Funkbetrieb über viele Stunden. Ein zweiter Akku dieser Größe
dient als Reserve und wird geladen, wenn mit seinem Zwillingsbruder gerade gefunkt wird. Meine zwei Akkus habe ich aus
Industriezellen der Bauform "D" (Monozellen) aufgebaut.
Rein gefühlsmäßig entschied ich mich für den Bau eines Solarmoduls 15 V / 1 A aus 12 Stück preiswerten kleinen
monokristallinen Solarmodulen chinesischer Produktion. Um das Solarmodul in einem Aktenkoffer transportieren
zu können und wegen dem gewünschten mechanischen Schutz beim Transport sollte mein Solarmodul leicht und faltbar sein.
Der Versuch, 12 kleine Solarmodule nach Art einer Landkarte faltbar zu machen hat den entscheidenden Nachteil,
mechanisch sehr instabil zu sein. Legt man diese Konstruktion auf die Erde, dann ist die Ausrichtung zur Sonne meist
nicht optimal. Hängt man das Modul an einen Ast muß man für optimale Sonnenausrichtung zusätzliche Abspannungen
anbringen. Das flattert dann im Wind und nicht immer hat man einen geeigneten hohen Aufhängepunkt zur Verfügung.
Die vorgestellte Variante ist mechanisch starr und hat diese Nachteile nicht.
Schaltbild | Rückseite | gefaltet | im Portabeleinsatz |
Die beiden Hälften des klappbaren Moduls sind elektrisch über ein Stück 8-poliges flexibles Flachbandkabel verbunden.
Je 4 Adern dieses Kabels sind parallel geschaltet.
Der mechanische Aufbau erfolgte mit Aluminiumprofilen der Firma ALFER. Die 12 Stück Solarmodule wurden mit
Senkkopfschrauben M 2 x 3 mm auf die Aluminium-Profile zu einem größeren Modul verschraubt. Doch Achtung: Das funktioniert
nur mit solchen Modulen, die kein Silizium bis in die Ecken haben!
Die Rückseite des Solarmoduls wurde mit Universaltape tesa® Extra Power zur elektrischen Isolation und zur Fixierung
der Verkabelung versehen.
Mein Solar-Wächter aus den 1980er Jahren
Um in groben Zügen über den Ladevorgang informiert zu sein, ist es von Vorteil, eine Kontrollmöglichkeit zu haben.
Im Android-Smartphone bekommt man eine Übersicht über den Akkuzustand durch Aufrufen der Menüpunkte
Einstellungen -> Telefoninfo -> Status -> Akkuladestand (als Zahlenwert in %) oder
Einstellungen -> Telefoninfo -> Akkuverbrauch (als Grafik).
Im Display des Funkgerätes ist eine Anzeige der Betriebsspannung vorhanden, mit der man sich gut über den Ladezustand des Akkus informieren kann.
Für den dauerhaften stationären Gebrauch betreibe ich zu Hause zwei kleine amorphe Solarmodule. Diese Module hatte ich vor vielen Jahren als Erhaltungs-Ladegerät für die 12 V Autobatterie gekauft - eine glatte Fehlinvestition, da auf die Hutablage in meinem Auto nur sehr selten die Sonne direkt scheint. Nun fristen sie in Parallelschaltung und fest nach Süden zur Sonne ausgerichtet ihr Dasein auf dem Balkon und sorgen für stets vorhandene voll geladene Kleinakkus im Haushalt. Die Module liefern im Sonnenlicht einen Kurzschlußstrom von 180 mA. Eine Anzeige für maximal 20 V Ladespannung und 200 mA Ladestrom erschien mir sinnvoll. Die Anzeige sollte ohne eigene Stromversorgung auskommen. Ein Zeigerinstrument 1 mA mit einigen wenigen Kleinteilen drum herum löste (vorerst) die Aufgabe ...
Schaltbild | Innenaufbau | Solarmodule | im Einsatz |
Erweiterte Variante von 1995
Da ich noch zwei kleine Drehspul-Instrumente mit jeweils 100 µA Endausschlag in der
Bastelkiste hatte, habe ich diese in das Gehäuse eines ehemaligen Parallelport-Schnittstellen-Umschalters
eingebaut.
Nun konnten Spannung und Strom eines Solarmoduls gleichzeitig angezeigt werden.
Im Gehäuse war auch noch Platz für ein kleines Netzteil mit regelbarer Ausgangsspannung. Damit konnte ich meine
im Haushalt verwendeten Kleinakkus auch bei Dunkelheit laden.
Frontansicht |
Rückwand |
Innenansicht |
Schaltbild |
Nachteilig ist, daß die analogen Skalen doch recht mäßig in der Ablesegenauigkeit sind, d.h. eine Spannung von
z. B. 12,0 V und 12,1 V läßt sich nicht mehr sicher unterscheiden.
Erster Versuch mit einem LED-Modul
Im Land der aufgehenden Sonne werden für ein geringes Entgeld digitale
Einbau-Meßinstrumente mit einem Meßbereich von 30 V und 10 A angeboten. Zum Probieren habe ich einige davon
bestellt. Da ich mit einem 12 V Solarmodul nur 12 V Bleiakkus laden wollte habe ich auf eine Einstellmöglichkeit
für die Ladespannung verzichtet.
Frontansicht |
Innenansicht |
Schaltbild |
Nachteilig ist, daß der Eigenstrombedarf dieser Anzeigen mit 30 mA doch recht groß ist. Somit gelangt der
mühsam gewonnene Sonnenstrom zu einem gewissen Teil nicht in die Akkus sondern wird für die Beleuchtung verwendet.
Deshalb habe ich meine alten amorphen Solarpanele durch zwei neuere polykristalline Panele mit größerer Leistung
ersetzt.
Die Anzeigen benötigen eine Betriebsspannung von mindestens 8 V. Unterhalb dieser Spannung kommt es zu
Blinkeffekten der Anzeigen.
Die Leiterplatten dieser Module tragen die Kennzeichnung DSN-VC288 und haben je einen Einstellregler für I_ADJ und
V_ADJ. Ein Nachgleich der Meßbereiche war nicht notwendig, das hatte der Hersteller bereits zur Zufriedenheit
erledigt.
Der Eingangsstrom im Meßeingang (gelber Draht) ist mit 150 µA bei 12 V Meßspannung erträglich gering.
Zweiter Versuch mit einem LED-Modul
Nachdem sich die chinesischen LED-Module als tauglich erwiesen hatten fügte ich eine
einfache Regelung für die Ausgangsspannung hinzu. Damit konnte ich dann auch einzelne Akkuzellen
(z.B. eine einzelne NiMH-Zelle mit Ladespannung von 1,4 V) bequem laden.
Frontansicht |
Innenansicht |
Rückwand |
Schaltbild |
Bei länger anhaltender starker Bewölkung bringt das Solar-Panel gerade einmal so viel Leistung, daß die Anzeigen
für Strom und Spannung leuchten und es bleibt kaum Leistung für das Laden der Akkus übrig.
Für das Laden bei Nacht oder schlechtem Wetter mußte also wieder ein Netzteil, am Besten gleich im Lader
eingebaut, her. So entstand die folgende Variante.
Version von 2021
Das ist der zur Zeit letzte Stand. Er beruht auf einem alten Notebook-Netzteil mit
20 V Ausgangsspannung bei maximal 1,7 A für das Laden bei Dunkelheit und 2 parallel geschalteten 10 W Solarpanelen
18 V / 0,55 A für die Ladung bei Sonnenschein. Diesen Spannungsquellen wurde ein simpler Spannungsregler mit einem
IC LM1085-ADJ nachgeschaltet. Die Anzeige von Ausgangsspannung und -strom übernimmt wieder ein LED-Display aus
China.
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Innenansicht |
Rückansicht |
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Notstromversorgung mit VRLA-Akku
Der Gedanke einer Notstromversorgung oder einer kleinen Stromversorgung für den
portablen Amateurfunk geht mir nicht aus dem Kopf. In das stabile Stahlblechgehäuse eines alten
Stromversorgungsgerätes aus DDR-Produktion wurde ein VRLA-Akku 12 V / 11 Ah mit etwas Elektronik eingebaut.
Gleichzeitig paßt in dieses Gehäuse noch ein Netzteil 13,2 V / 7 A , welches das Laden des Bleiakkus übernimmt.
Bei Netzausfall wird der Akku über ein Relais auf die Ausgangsbuchsen geschaltet. Die endliche Umschaltzeit des
Relaiskontaktes führt zu einer kurzzeitigen Unterbrechung der Ausgangsspannung. Es ist also keine
"unterbrechungsfreie Stromversorgung" (USV).
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Rückansicht |
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Der Nachteil dieses Gerätes ist das relativ hohe Gewicht von insgesamt 6,2 kg, verursacht durch den verwendeten
Bleiakku und das Gehäuse. Das macht diese Kiste bei mir unbeliebt.
Variante Powerbank BEAUDENS 166 Wh aus China 2020
Da gibt es doch seit kurzer Zeit ganz schick aussehende Power-Banks mit Wahnsinns-Daten
in der Größe einer kleinen Damen-Handtasche. Die angegebenen Daten haben mich verleitet, einen "B-1502 Portable
Power Generator" der Firma BEAUDENS zu kaufen und zu probieren. Im mitgelieferten Handbuch wird das Gerät als
"BEAUDENS 166 Wh Tragbarer Stromgenerator" benannt.
Nach einigen Tagen der Testerei habe ich Folgendes
lernen müssen:
1. Das Gerät generiert keine Power und keinen Strom. Bestenfalls funktioniert es als Speicher für elektrische
Energie.
2. Das Teil hat eine gefällige Form, besitzt einen Tragegriff und wiegt gerade einmal 2165 g. Es sind keinerlei
Schrauben von außen sichtbar.
3. Das mitgelieferte Handbuch hat ein Kapitel in deutscher Sprache. Davon sind 95% verständlich, 2% sind falsch.
So zum Beispiel auf Seite DE-12: "A. Stecken Sie das originale Autoladegerät in die Zigarettenanzünderbuchse
Ihres 12 V - Autos und stecken Sie es in den AC-Eingang des Gerätes".
Mein BEAUDENS-Gerät verfügt über keinen AC-Eingang! Was nun?
4. Ich hatte vor, mit einem 21 V / 20 W Solarpanel den LiFePO4-Akku ständig zu puffern. Das funktioniert aus zwei
Gründen leider nicht:
Das Gerät schaltet erst dann in den Solar-Lademodus, wenn mindestens 17,5 V an der Ladebuchse anliegen und das
Solarmodul mehr als 0,48A bereitstellen kann. Das sind mehr als 8,4 W Eigenbedarf.
Die Folge davon ist: Das Solarmodul muß mehr als 8,4 W an Leistung bereitstellen damit überhaupt etwas in die
internen Akkus gespeichert wird!
Die Energie, die ein Solarmodul unterhalb von 8,4 W bereitstellt (z.B. bei Sonnenauf- und -untergang oder trüben
Tagen) kann nicht zum Laden der internen Akkus genutzt werden.
5. Als zusätzlicher schwerer Mangel stellte sich heraus, daß die Solar-Ladeschaltung bei langsamem Anstieg der
solaren Eingangsleistung (z.B. bei Sonnenaufgang) nicht erkennt, wann genügend solare Leistung zum Laden des
internen Akkus zur Verfügung steht. Das führt dazu, daß trotz strahlendem Sonnenschein und genügend Eingangsleistung
von den Solarpanelen die internen Akkus nicht geladen werden. Das ist ein Witz! Was haben sich die Entwickler
dabei gedacht?
Zumindest haben sie niemals einen Test mit dem Verhalten bei Sonnenaufgang (... bei langsamer Änderung der
Eingangsspannung) durchgeführt.
Bei kurzzeitigem Abziehen und danach wieder Anstecken des Steckers geht das Gerät in den solaren Ladezustend,
vorausgesetzt die Solarmodule stellen zu diesem Zeitpunkt mehr als die oben genannten 8,4 W zur Verfügung.
Soll ich nun jeden Morgen von Hand die von meinen Solarpanelen abgegebene Leistung messen, darauf warten daß mehr
als 0,48 A fließen, den Ladestecker kurzzeitig abziehen und danach wieder anstecken? Was geschieht, wenn sich
gegen Mittag eine dicke Wolke vor die Sonne schiebt und danach langsam wieder verschwindet?
Liebe chinesische Entwickler: Was habt ihr da nur verzapft?
Der Gipfel ist jedoch, daß das Gerät mit der verwendeten MPPT-Technologie zur effizienten Aufladung über ein
Solarpanel beworben wird! Ja klar, wenn es denn mal von Hand in den solaren Ladezustand gebracht wird!
LiFePO4 - Akku
Der Preisverfall bei LiFePO4-Akkus hat mich verleitet, einen 12 V 20 Ah LiFePO4-Akku zu
kaufen. Der Hersteller laut Typenschild ist eine Firma mit Namen ECO-WORTHY aus China. Der
Akku enthält ein internes Batterie-Management-System.
Bei der Aushändigung des Paketes durch den Postboten
fiel mir auf, daß er dieses mit einer Hand mühelos tragen konnte. Dieser LiFePO4-Akku ist mit seinen 2235 g wirklich
ein Leichtgewicht.
Frontansicht |
Draufsicht |
Innenansicht |
BMS Datenblatt |
Zusatzdisplay JS-C33 |
Zusatzanschlüsse |
Umgebauter Akku |
Kennlinien |
Mein Akku war in der Lage 10 Stunden lang einen Strom von 1,7 A zu liefern, das sind 17 Ah, was ich so empfinde als hätte ich beim Bäcker 20 Brötchen gekauft und zu Hause stelle ich fest, daß nur 17 Brötchen in der Tüte sind. Möge sich jeder seinen Teil dazu denken ...
Natürlich war ich neugierig, was sich denn im Inneren des Akkus befindet. Die 4 Schrauben in den Ecken waren leicht
zu entfernen und der Blick ins Innere möglich.
Rechts und links vom eigentlichen Akku sind jeweils etwa 40 mm Platz im Gehäuse, was etwa 2/5 des Gesamtvolumens
entspricht. Der wurde mit Bauschaum aufgefüllt, der die Akkuzellen (pouch-cells) in Position hält.
Das Batterie-Management-System ZP04S005 in der Ausführung L4S-25A-25A-B-V11 befindet sich direkt über den Zellen und
ist dort ebenfalls mit Bauschaum befestigt.
Ein Besuch der Webseite des Herstellers brachte etwas Licht in das Geheimnis der vielen Luft im Akku: Im gleichen Gehäuse
liefert man auch einen 30 Ah Akku ...
Bei so viel ungenutztem Raum liegt es nahe, dort noch ein zusätzliches LC-Display einzubauen, das über den
Ladezustand des Akkus informiert. Ich entschied mich für ein LCD JS-C33.
Dieses Display hat bei 12 V Betriebsspannung einen Eigenstrombedarf von 8 mA bei leuchtender Anzeige und von 3 mA (!)
nach Betätigung des Ausschalters. Das bedeutet, daß ein voll geladener Akku mit 17000 mAh in 237 Tagen = 33 Wochen =
8 Monate durch das ausgeschaltete Display vollständig entladen sein wird. Deshalb hielt ich einen kleinen zusätzlichen
Ein-/Aus-Schiebeschalter nur für das Display für sinnvoll.
Zur Programmierung des Displays JS-C33 für LiFePO4-Akkus verwende ich folgende Einstellungen:
1-- F04 LiFePO4 / 4 Zellen in Reihe
2-- 10 ON Display schaltet nach 10 Sekunden ab, seine Stromaufnahme sinkt von 8 mA auf 3 mA
3-- 09.5 135 Kapazitätsanzeige 9,5 V = leer / 13,5 V = voll
4-- nicht nutzbar, mein Display besitzt keinen Piezo-Summer.
5-- nicht benutzt
6-- nicht benutzt
7-- nicht benutzt
Im Deckel des Akkus finden noch zusätzlich eine KFZ-Buchse, je eine Bananenbuchse rot/schwarz und eine DC-Buchse 5,5/2,1 mm
ihren Platz. Das sind die von mir meistens gebrauchten Anschlüsse.
Zum Laden dieses LiFePO4-Akkus benutze ich entweder ein gerade vorhandenes Steckernetzteil 14,4 V mit 3 A Nennstrom oder
schließe meine 21 V / 10 W Solarpanele direkt an den Akku an. Alles Weitere erledigt das BMS des Akkus.