Reinhard Weiß
Geko AkkuPack

Meine Lösung

mein AkkuPackGeko + Akku am MTB

Meine Lösung für das mobile Stromversorgungsproblem ist ein AkkuPack aus 4 Mignonzellen, das ich über ein Kabel an das Geko anschließe. Das AkkuPack beinhaltet eine einfache Regelschaltung, damit die maximal zulässige Spannung für das Gerät nicht überschritten wird, andererseits aber zur Stromersparnis immer eine möglichst hohe Spannung (3,0 V) abgegeben wird. Der Regler ist ein LP2950-3.0 im TO92-Gehäuse, für den lediglich noch 2 Kondensatoren benötigt werden. Alles wird auf einer Lochrasterplatine untergebracht und zusammen mit den Akkus in einer Handy-Tasche gesteckt, die auch leicht am Fahrrad befestigt werden kann.

Alternativen

Ich hatte einige unterschiedliche Konzepte überlegt, bin aber auf diese Lösung gekommen, weil die Bauteile leicht zu bekommen sind und das Ganze wirklich einfach zusammengebastelt werden kann.

Eigentlich wäre eine Spannung von 3,1 oder 3,2 V wünschenswert. Festspannungsregler mit solchen Spannungswerten sind aber schwierig zu beschaffen und fast nur im SMD SOT23-Gehäuse zu bekommen, was den Aufbau erschwert (z.B. LP3985, LP3988 von NSC). Eine leichte Variante wäre noch der LP2951 im DIL8-Gehäuse, der eine einstellbare Ausgangsspannung ermöglicht. Mir war die zusätzliche Beschaltung etwas zu umständlich und denke, dass die 3,0 V ein sinnvoller Kompromiss sind.

Der LP2950 hat eine DropOut-Spannung von typisch 380 mV (@ 100 mA), d.h. bei 3 Zellen in Reihe könnte bei 3,0 V Ausgangsspannung jede Zelle auf bis zu ca. 1,1 V entladen werden. Dies entspricht so etwa 90 % der entnehmbaren Kapazität. Daher ist es sinnvoller, 4 Zellen in Reihe zu schalten, was genügend Reserven gibt, auch wenn die Zellen mit der Zeit schlechter werden.

Der SMD-Regler LP3985 hat einen bemerkenswert geringen Spannungsabfall (DropOut) von nur 45 mV (@ 100 mA). Wenn man hier nur 3 Zellen zusammenschaltet, könnte jede Zelle auf bis ca. 1,0 V entladen werden, entsprechend über 100 % der Nennkapazität.

Mit nur 3 Zellen auszukommen gegenüber 4 würde allerdings nicht viel einsparen, weil es günstige Packs immer nur als 4er-Set gibt (z.B. Cellcon 2300 mAh bei Reichelt für 6,95 EUR).

alternativer Batteriehalter 3 x AA

3 Zellen könnten andererseits leicht in einen nur 69x48x19 mm großen geschlossenen Batteriehalter (Reichelt Nr. Halter 3xAA, 1,40 EUR) eingelegt werden, der sogar noch Platz bietet für eine ganz kleine Anschlussplatine für den Regler (LP3985). Das wäre dann eine Kompaktlösung.


 

Mein Aufbau

mein Aufbau

Ich habe mich aber für die LP2950-Lösung entschieden. Die 4 Mignonzellen habe ich in einen 110x31x14 mm großen offenen Batteriehalter eingebaut, den ich auf der Lochrasterplatine befestigt habe. Achtung: Es gibt solche Halter in verschiedenen Längen! Wenn die Mignonzellen jeweils 50 mm lang sind, muss der Halter ein Innenmaß zwischen den Kunststoffstirnflächen von mind. 103 mm haben, manche haben aber nur 101 mm, das ist zu knapp! Die zusammengedrückten Kontakte müssen mind. 101 mm Abstand haben, damit die Zellen eingelegt werden können.


Nachfolgendes Bild zeigt meine Beschaltung. Die Stiftleisten X1 und X2 sind nicht unbedingt nötig. X1 dient nur für Testzwecke (Strommessung, Fremdspeisung etc.), X2 ist eine Anschlussmöglichkeit für ein Datenkabel für den PC oder PDA.

Batterie-Spannungsregler
Schaltbild des Batterie-Spannungsreglers

Der Stecker X1 (6-polige stehende Stifleiste im 2,5 mm-Raster) dient mir als Teststecker, um verschiedene Messungen machen zu können oder andere Beschaltungen vorzunehmen. Es gibt hierfür 2-polige Steckerchen ("Jumper-Verlängerung", siehe Stückliste), die wie die Brücke gesteckt werden können, die aber statt einer Brücke die Pins mit langen Litzen heraus führen, um sie außerhalb der Schaltung zu beschalten. Zum Beispiel:

Pfostenstecker

Nachdem der Stecker für den Geko schon mal konfektioniert werden muss, liegt es nahe, die Datensignale auch gleich mit demselben Kabel herauszuführen. Ich habe sie auf die Stiftleiste X2 angeschlossen. Dabei handelt es sich wieder um eine Stiftleiste im 2,5 mm-Raster. Die Belegung ist so gewählt, dass eine 1:1 Bandkabelsteckerverbindung (10-poliger Pfostenstecker wie links im Bild und 9-poliger SubD zum Anpressen auf Flachkabel) zum PC benutzt werden könnte. Im Schaltbild ist die Belegung von oben (Sicht auf die freien Stifte) dargestellt. Pin 1 des X2 ist hier so definiert, dass an diesen Stift die Randader des Bandkabels kontaktiert werden müsste (am Pfostenstecker ist hierzu eine Markierung eingeprägt), bzw. die Verdickung des Steckers (im linken Bild deutlich zu erkennen) bei Pin 5. Beim SubD-Stecker (Buchse) muss die Randader zum Pin 1 zu liegen kommen (siehe Tabelle 3 unten).

Ich habe in diesem Fall aber kein Bandkabel verwendet, weil es mir zu sperrig ist, sondern das Mauskabel, an dessen Ende ich die 4 Adern in den Pfostenverbinder eingelegt habe, wie auf dem kleinen Bild zu sehen ist (das ist allerdings etwas diffizil). Die Zuordnung zwischen den benötigten Pins an X2 und dem SubD9-Stecker des PC ist in der kleinen Tabelle im Schaltbild noch einmal dargestellt.

Wenn man ein Bandkabel für das Datenkabel verwenden möchte, ist folgende Pinbelegung zu berücksichtigen:

Tabelle 3: Adernbelegung Datensignale zum PC
Pfostenstecker auf X2 Kabelader SubD9 Bedeutung
1 = Marke
1 = Randader
1
 
2 (gegenüber 1)
2
6
 
3 (neben 1)
3
2
RxD
4 (neben 2)
4
7
 
5
5
3
TxD
6
6
8
 
7
7
4
 
8
8
9
 
9
9
5
Masse
10
10
-
-

Die Numerierung der Pins an einem SubD9-Stecker ist im Gehäuse eingeprägt, aber ohne Lupe kaum zu erkennen. Es empfiehlt sich, vor dem Anstecken des Geko und PC die tatsächliche Pin- und Adernbelegung noch einmal nachzumessen, um eine lästige Fehlersuche zu vermeiden.

Inzwischen habe ich hierzu auch eine Spannungsüberwachung entwickelt, um rechtzeitig festzustellen, dass der Akku bald leer ist und dann ggf. die interen Batterie einspringen muss.

Dimensionierungshinweise

Der Ruhestrom des LP2950 liegt bei typisch 75 µA (ohne Last, nach Datenblatt), gemessen habe ich 90 µA. Damit ist ein Ausschalter entbehrlich. Der Gesamtstrom bei angestecktem, aber ausgeschaltetem Geko beträgt dann an der Batterie ca. 150 µA. Das ist unbedeutend (rechnerisch werden damit 100 mAh in 30 Tagen verbraucht!).

Während der Eigenverbrauch des LP2950 im Leerlauf tatsächlich sehr gering ist, ist zu berücksichtigen, dass bei hoher Last seine Stromaufnahme (im GND-Pin) wesentlich ansteigt. So werden bei 50 mA Last nur ca. 1 mA mehr benötigt, bei 100 mA sind es bereits ca. 5 mA, bei 150 mA sogar 12 mA.

Die DropOut-Spannung des Reglers beträgt typisch 380 mV (@ 100 mA). Damit kann jede der 4 Zellen bis auf ca. 0,85 V herunter entladen werden, ehe die Ausgangsspannung des Reglers absinkt. Diese tiefe Entladung ist sicher nicht empfehlenswert, aber gibt zumindest genügend Reserven für Verschlechterung der Eigenschaften der Zellen.

Der Regler hat eine Überstrom- und Temperatursicherung gegen Überlast. Der maximal entnehmbare Strom ist nominell (garantiert) 100 mA, jedoch lässt sich noch erheblich mehr herausholen, da die Strombegrenzung erst bei typisch 160 mA einsetzt (ich habe ca. 200 mA gemessen). Nach Tabelle 1 werden aber nicht mehr als etwa 120 mA (bei 3,0 V) benötigt.

Verlustleistung: Der Thermische Widerstand zur Umgebung bei ganz kurz eingelöteten Anschlussbeinchen ist beim LP2950 160 °C/W, die maximal zulässige Sperrschichttemperatur beträgt 125 °C. Bei einer angenommenen maximalen Umgebungstemperatur von 40 °C errechnet sich daraus eine maximal erlaubte Verlustleistung von 530 mW. Für den ungünstigsten Fall mit der höchsten Eingangsspannung von ca. 5,6 V (4 x 1,4 V) fallen 2,6 V über dem Regler ab. Bis zum Erreichen der maximalen Verlustleistung dürften also bis zu 200 mA aus dem Regler gezogen werden. Der Betrieb mit dem Geko ist daher thermisch unproblematisch.

Bauteile

In nachfolgender Tabelle sind alle verwendeten (bzw. alternativen) Bauteile aufgeführt.

Tabelle 4: Bauteilliste
Nr. Stck. Bauteil Quelle
VR1
1
LP2950ACZ-3.0
  • Reichelt Nr. LP 2950 ACZ3,0 (0,53 EUR)
C1
1
Tantal 1 µF/35 V
  • Reichelt Nr. Tantal 1,0/35 (0,15 EUR)
  • Conrad Nr. 48 16 70-27 (0,56 EUR)
C2
1
Tantal 3,3 µF/16 V
  • Reichelt Nr. Tantal 3,3/16 (0,11 EUR)
  • Conrad Nr. 48 16 96-27 (0,84 EUR)
 
1
Batteriehalter 4 x Mignon (AA)
  • Conrad Nr. 61 55 60-55 (1,40 EUR) oder ähnlich (Achtung: Innenlänge prüfen!)
 
1
Batterieclip dazu ("9 V")
  • Reichelt Nr. Clip 9V-T (0,09 EUR)
  • Conrad Nr. 49 06 60-55 (0,25 EUR)
 
1
Set 4 Mignonzellen (AA) NiMH 2300 mAh
  • Reichelt Nr. NH4X2300 CEL (6,95 EUR)
 
1
Kabel zum Geko (4 x 0,14 mm²), Ad 3,5 mm
  • (altes Mauskabel zerschnitten, Maus-Seite)
 
1
Gerätestecker Geko/eTrex
  • Pfranc
X1
1
Stiftleiste 6-polig, Raster 2,5 mm
  • Reichelt STIFTL.2X10G (2x10, 0,13 EUR)
  • Conrad Nr. 74 40 26-27 (2x10, 0,49 EUR)
W1, W2
2
Jumper für X1
  • Reichelt JUMPER GN (0,04 EUR)
  • Conrad Nr. 73 41 52-27 (0,16 EUR)
 
2
Jumper-Verlängerung (nur zum Messen und experimentieren)
  • Conrad Nr. 74 12 13-27 (1,51 EUR)
X2
1
Stiftleiste 10-polig, Raster 2,5 mm, offen oder als Wanne
  • Reichelt STIFTL.2X10G (2x10, 0,13 EUR) bzw. WSL 10G (0,07 EUR)
  • Conrad Nr. 74 40 26-27 (2x10, 0,49 EUR) bzw. 70 20 13
zu X2
1
Pfostenstecker-Oberteil 10-polig
  • Reichelt PFL 10 (0,07 EUR)
  • Conrad Nr. 70 20 13-27 (0,84 EUR)
 
1
Kabel zum PC (3 od. 4 x 0,14 mm²)
  • (altes Mauskabel zerschnitten, SubD9)
 
1
Lochraster-Streifen-Leiterplatte ca. 107x40 mm (2,54 Raster)
  • Reichelt H25SR050 (50x100 mm, 0,46 EUR) oder H25SR150 (150x100 mm, 1,15 EUR)
  • Conrad Nr. 52 77 26-27 (100x160 mm, 2,29 EUR)
 
3
Kabelbinder als Zugentlastung  
 
1
Handy-Tasche (groß, z.B. Nokia 33/34/35)  

Alle angegebenen Preise und Bestellbezeichnungen aus Katalogen mit Stand von Mitte 2004, ohne Garantie. Links zu den Herstellern siehe unter der SiteMap

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© Reinhard Weiß 2013, letzte Änderung: 23.11.2013 13:54 / 1