Reinhard Weiß - Bauprojekte

USB-Stromversorgung (5 V) für Geko 301 (17/2011 und 08/2011)

In einer früheren Baubeschreibung hatte ich schon einmal eine Stromversorgungs-Version vorgestellt, die mit 4x AA-NiMh-Akkuzellen betrieben wird und bei der ein Regler vom Typ LP2950 in einer extrem einfachen Beschaltung daraus die Geko-Betriebsspannung 3,0 V erzeugt.

In den letzten Jahren hat sich aber der Trend zu mobilen "Notstrom-Akkus" auf Basis von LiPo- oder LiIon-Akkus durchgesetzt, die Smartphones und Handys über eine USB-Buchse (d.h. mit 5 V) aufladen können. Da inzwischen eine Vielzahl solcher 5 V-Akkus preiswert in unterschiedlichster Kapazität angeboten wird, bietet es sich an, diese universelle Art der Versorgung auch beim Geko 301 anzuwenden. Da das Geko 301 mit 3 V arbeitet, braucht man dafür allerdings eine passende Spannungsregelung. Die damalige Ausführung wäre elektrisch zwar auch hierfür geeignet, jedoch entspricht deren mechanischer Aufbau und die Handhabung nicht dem Wunsch einer kompakten Anschlusstechnik.

Entwicklungsziel für mich war neben dem guten Wirkungsgrad (d.h. geringe Stromaufnahme) insbesondere ein geringer Ruhestrombedarf (Geko ausgeschaltet), um für Betriebspausen einen separaten Ausschalter einzusparen. Der abzugebende Strom muss mind. 150 mA betragen können bei Eingangsspannungen ab etwa 4,8 V. Die Ausgangsspannung wird auf ca. 3,2 V festgelegt. Um das Geko beim Wandern oder am Fahrrad mitzunehmen, sollte die Stromversorgung möglichst einfach und leicht handhabbar sein, zumal ja der USB-Akku selber auch noch benötigt wird.

Ich habe eine Vielzahl von geeigneten Regler-Varianten entworfen (mit Linear- oder Schaltregler), die unterschiedlich aufwendig und effektiv sind. Aufgrund des geringen Spannungsunterschieds zwischen 5 und 3 V können Schaltregler allerdings ihren prinzipiell viel besseren Wirkungsgrad gegenüber Linearreglern nicht so gut ausspielen, sind eher aufwendiger oder die benötigten Spezial-IC sind schwieriger zu beschaffen. Moderne Schaltkreise sind zudem oft nur in SMD-Technik erhältlich, was die Verarbeitung erschwert. Schaltregler haben den Nachteil, dass empfindliche Schaltungen durch den unvermeidlichen Ripple auf der Betriebsspannung gestört werden könnten. Dies ist allerdings beim Geko 301 vermutlich eher weniger problematisch, weil etwa das Kfz-Ladegerät von Garmin ebenfalls einen einfachen Schaltregler (MC34063) verwendet und im Gerät sowieso ein weiterer Schaltregler vorgeschaltet ist.

Bei meinen schaltungstechnischen Überlegungen habe ich z.B. folgende IC eingesetzt: als Linearregler LP2950, LP2951, HT7330, MCP1700, TPS731xx, LT1086, als Schaltregler RECOM 783-3, TPS62203, MAX748A, LT1073. Die einfachsten Versionen mit LP2050/2951 (LDO Linearregler, Projekt 17/2011) und RECOM 783-3 (Schaltregler, Projekt 08/2011) möchte ich hier stellvertretend beschreiben.

Das Bild links zeigt die Realisierung. Die Schaltung befindet sich in einem Gehäuse mit 70x40x20 mm (Strapubox 2744), aus dem ein USB-A-Kabel als Strom-Eingang (zum Akku) und eines mit einem Stecker (e2plug von Pfranc) für die Versorgung des Geko kommt (zum Geko-Stecker siehe meine Beschreibung).

Die LED zeigt die Betriebsbereitschaft an (Unterspannungsüberwachung), die Mini-USB-Buchse kann für die Kommunikation mit dem PC genutzt werden (Kabel für COM-Schnittstelle). Für die Kommunikation mit dem PC über RS232 und USB habe ich eine eigene Zusammenstellung gemacht.

Ein USB-Kabel gibt es mit unterschiedlichsten Steckern. Ich habe den Typ A in gewinkelter Ausführung gewählt, der beim Akku nicht so sperrig ist. Den Stecker gibt es bei eBay auch anders gewinkelt oder natürlich auch gerade. Alternativ könnte man auch den Steckertyp Mini-B verwenden. Das innere Ende des Kabels habe ich nicht angelötet, wie es sich angeboten hätte, um Platz zu sparen, sondern ich habe ein Kabel mit USB-A-Kupplung verwendet, das es in dieser Konfiguration standardmäßig gibt. Das erlaubt mir, für unterschiedliche Akku-Konstruktionen mit anderen USB-Buchsen-Anordnungen, oder für andere Kabellängen, problemlos das Kabel wechseln zu können. Siehe hierzu die nachfolgenden beiden Bilder für einen Blick ins Innere des Kästchens.

Die beiden Varianten der Stromversorgung: links die Version mit dem Linearregler (17/2011), rechts die mit dem Schaltregler (08/2011). Das Kabel zum Geko habe ich auch steckbar gemacht (weiße XH-Steckverbindung), um es besser für andere Versuche austauschen zu können (der Geko-Stecker ist leider sehr teuer).

Die Schaltungen der beiden Versionen zeigen diese Bilder (zum Vergrößern anklicken). Beim LP2951 (links) wird die LED ausgeschaltet, wenn die Ausgangsspannung des Reglers um ca. 0,1 V abfällt, beim RECOM (rechts) erfolgt keine Abschaltung der LED, sondern sie wird nur dunkler beim Absinken der Spannung. Im Übrigen haben die USB-Akkus meist selber eine eigene Spannungsüberwachung, die sogar Rückschlüsse auf die Restkapazität erlaubt.

Performance (Messwerte):

* ohne LED, ohne PTC, ohne Filter

Man sieht an den Messwerten, dass der höhere Wirkungsgrad beim Schaltregler bei 100 mA Last bereits 35 mA Strom einspart (33 %) gegenüber dem Linearregler. Hingegen hat der Linearregler 2,4 mA weniger Ruhestrom und kommt mit viel weniger Eingangsspannung aus. Letzteres ist allerdings bei USB-Akkus ein geringeres Problem. Der verwendete Schaltregler ist wesentlich teurer als der Linearregler.

(Entwicklungsstand: 12/2013, erweitert 07/2017)

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© Reinhard Weiß 2017 - letzte Änderung: 12.10.2021 19:44 / 1