Ladeelektronik für Solarmodule (4x5V)

Die folgende Ladestation dient der Ladung von Geräten mit USB-Anschluss aus einer 12V Batterie. Konkret ist dies bei mir eine Batterie, die per Solarzelle geladen wird.

Designziele:

  • Geringe Verlustleistung in Reglung
  • Mehrere 5V Geräte anschließbar
  • Entnahmestrom ca. 4x500mA
  • Entnahmeanschlüsse 4x USB
  • Absicherung der angeschlossenen Geräte gegen Überspannung
  • Absicherung der Station gegen Kurzschluss

Theory of Operation

Kern des Moduls ist ein Schaltregler-IC. Der LM2576 ist schon lange am Markt, ist preisgünstig und hat im Vergleich zu einem Längsregler nur eine geringe Verlustleistung. Neue und teurere Typen sind effizienter als der LM2576, der Unterschied ist aber aus meiner Sicht hier nicht bedeutsam. Verwendet wurde die variable Version LM2576-ADJ, es geht vom Platinendesign aber auch der LM2576-5 Festspannungsregler. Die Platine hält sich an die Vorgaben des Datenblatts. Es sind zwei unabhängige ICs verbaut, die jeweils zwei USB-Buchsen bedienen. Das bedeutet, dass im Normalbetrieb jedes IC mit 1A belastet ist, ein geringer Wert für diesen Regler.

Der Ausgang ist mit einer Sicherung gegen Überlastung/Kurzschluss gesichert.
Eine Zenerdiode nach der Sicherung erzeugt bei deutlicher Überspannung einen Strom der die Sicherung zum Durchbrennen bringt. Damit sollten Geräte am Ausgang ein bisschen gegen IC-Defekte gesichert sein.


Schaltplan

Platinendesign

 


Bestückung

 

Einführende und weiterführende Informationsquellen zum Thema“Elektronik“

Hier meine ganz persönliche Auswahl zu Informationsquellen zum Thema Elektronik.  Es geht mir nicht um „möglichst viele Links“ sondern um wirklich fundamentale und herausragende Informationsquellen.

Bücher

The Art of Electronics. Paul Horowitz, Winfield Hill. Cambridge University Press, 2015.
Dies ist das Standardwerk zum Thema Elektronik im englischsprachigen Bereich. Wenn man nur ein Buch zum Thema Elektronik kaufen will, dann dieses. Aktuell ist die dritte Auflage, aber ein gebrauchtes der 2. Auflage (bis 2014 aktuell) ist kaum weniger wertvoll.
Von diesem Buch existiert meines Wissens auch eine kostenlose PDF-Version der 2. Auflage, bei dem nur Kapitel 1 fehlt.
Zum Buch gibt es auch ein Student Manual mit vielen Aufgaben zu den einzelnen Kapiteln, ideal zum Selbststudium.

Operationsverstärker: Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen. Joachim Federau. Springer Verlag 2013.
Ein hervorragendes Buch zum Thema Operationsverstärker, didaktisch kaum zu übertreffen. Wegen der klaren Darstellung ohne Formelbalast auch wunderbar fürs Selbststudium. Voll mit Beispielen die man leicht an eigene Projekte anpassen kann. Enthält pro Kapitel auch Aufgaben mit Lösungen.
Auch hier gilt: die sechste Auflage (!) ist aktuell aber mit der 5. oder 4. wird man sicher auch glücklich.

Das InterNetzteil- und Konverter-Handbuch (auch „Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch“). Jörg Rehmann 2003 (Online-Version: 2009).
Dieses Buch bringt sehr gut strukturiert Theorie und viele praktische Beispiele zu Schaltnetzteilen und DC-to-DC-Konvertern aller Art. Das Buch ist nicht bei Amazon erhältlich, kann aber bei Trifolium direkt erworben werden (http://www.trifolium.de/fachbuecher.html). Schließlich gibt es eine Online-Version des Buchs: http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html(Video-)Blogs

eevblog (http://www.eevblog.com/) von Dave Jones. Legendärer Videoblog aus Australien („not Austria“). In über 700 Videobeiträgen (Frühjahr 2015) beackert Dave Jones seit einigen Jahren alle Themen um Elektronik herum. Es gibt manchmal mehrere Beiträge pro Woche. Es wird alles besprochen: Oszilloskope, Multimeter, Elektroautos, Retrocomputing, Solar Roadways, Teardowns von fast allem was man mit Strom betreiben kann, Solar power, Konzepte und Grundlagen, eigene und fremde Projekte und vieles mehr. Bob’s your uncle!

mikeselectricstuff (https://www.youtube.com/user/mikeselectricstuff). Mike Harrison ist für mich neben Dave Jones das zweite Schwergewicht zum Thema Videoblog. Er zerlegt teilweise extrem ausgefallene Geräte, die in der Anschaffung (auch gebraucht und defekt) zum Teil sicher noch horrende Summen gekostet haben müssen. Zu nennen sind hier: Röntgenstraßen vom Flughafen-Checkin, Herzschrittmacher, Fibrilatoren, Kameras aller Art, nautische Signalbojen und vieles mehr. Während Dave Jones quasi alles zerlegt, was er in die Finger bekommt, ist Mikes Schwerpunkt eher ausgefallener elektronischer Kram :-). Neben dem Videoblog findet man Unmengen weiterer Informationen von Mike Harrison unter http://www.electricstuff.co.uk/.

… That’s all she wrote.

Umbau des Labornetzgeräts PS-302 auf Digitalanzeigen

Das Labornetzgerät PS-302 war jahrelang bei Conrad im Angebot. Es bietet 0-30V bei 0-2A. Das Gerät ist kurzschlußfest und äußerst robust gebaut. Das Netzteil ist ein Längsregler mit dickem Trafo und damit geringer Restwelligkeit (kein Schaltnetzteil). Leider hat es nur ein analoges Anzeigeinstrument. Dieses zeigt entweder Spannung oder Strom ab, man kann nie beides gleichzeitig sehen. LCD Panelmeter sind für unter 10 Euro im Handel erhältlich. Ich habe daher meine beiden Labornetzteile auf Digitalanzeige umgebaut. Jedes Gerät bekam eine Anzeige für Strom und eine für Spannung.

Die digitalen Panelmeter benötigen normalerweise eine eigene, galvanisch getrennte Versorgungsspannung, bei mir 9V. Daher habe ich noch ein Mini-Netzteil mit 2x9V gebaut und die Panelmeter werden damit betrieben.


Eines der beiden Geräte nach Öffnung und Entfernung des analogen Instruments. Die Blende kann mit sanfter Gewalt entfernt werden, sie ist angeklebt. Der mittig angebrachte Schalter schaltet das Anzeigeinstrument zwischen Strom und Spoannung um und wird überflüssig.

 


Das übrigbleibende analoge Panelmeter

Ich habe zwei Geräte, die äußerlich sehr ähnlich sind, innen aber ziemlich unterschiedlich. Trotzdem konnte ich beide Geräte weitgehend identisch bearbeiten.


Das Gerät (das ältere Baujahr) von innen. Das neuere Gerät hat hinter dem Anzeigeinstrument noch eine weitere Platine und einen noch dickeren Trafo.

Aussägen eine Ausschnitts, in den beide digitale Panelmeter hineinpassen. Schutz des Geräts vor Sägespänen durch einwickeln in Zeitungspapier o.ä. Der Ausschnitt kann auch mit einem Knabber gemacht und dann sauber nachgefeilt werden (habe ich so gemacht).

Der fertige Ausschnitt.

Das kleine zusätzliche Netzteil kann an dem Befestigungswinkel, an dem das analoge Panelmeter befestigt war, angebracht werden. Diesen dazu passend abwinkeln.

So hängt das Mini-Netzgerät (ich halte den Trafo zwischen meinen Fingern!) am Befestigungswinkel.

Befestigter Winkel

Und hier das Netzteil am Befestigungswinkel.

Die Panelmeter brauchen ca. 60mA Strom bei 9V (sie haben Hintergrundbeleuchtung). Als Trafo ist ein Typ 2x9V bei 100mA vollkommen ausreichend. Die Regelung der 9V kann z.B. durch einen 78L09 oder einen TA78L009 erfolgen.

Meine Panelmeter sind 3,5-stellig, haben Hintergrundanzeige und können 200,0 mV darstellen. Nachmessen an den alten Anzeigeinstrumenten ergab, dass dort a) 100mV-Instrumente mit 250Ohm Innenwiderstand 200mV-Instrumente mit 450Ohm Innenwiderstand im Einsatz waren. Die passende Anzeige an den neuen Instrumenten erhält man durch Spannungsteiler. Da man das genau einstellen muss, sind Timmer zu verwenden.


Schaltbild a) Netzteil für die Panelmeter und b) Anschluß der Panelmeter.

Der Spannungsregler TA78L009, der 9V bei 150mA bereitstellen kann. Es kann genauso gut der besser erhältliche 78L09 verwendet werden, der 100mA bereitstellt.


Erster Funktionstest, mit losen Anzeigeinstrumenten. Angezeigt werden 5,0 Volt. Das Strommessgerät ist noch nicht in Betrieb.

Erster Test mit Spannung (4,7V) und Strom (1,01Ampere).

Und so sieht’s von innen aus. Sichtbar das kleine Zusatznetzteil (auf dem Kopf stehend montiert)

Die Panelmeter von ihrer Rückseite

Die Panelmeter werden mit einer Heißklebepistole genau fixiert

Danach werden die Panelmeter mittels der Trimmer so eingestellt, dass sie korrekte Spannungs- und Stromwerte anzeigen.


Und so sieht’s fertig aus.

Für etwa 2×8 Euro und etwa 2 Stunden Arbeit erhält man wesentlich aufgewertete Geräte.