Powerbanks sind gekapselte LiIon-Akkus mit interner Elektronik, die primär als Nachladestationen für mobile Geräte entwickelt wurden. Sie verfügen über einen USB-Eingang (typ. USB-Micro) zum Nachladen des internen Akkus und mindestens eine USB-Buchse (typ. USB-A) mit 5 V zur Stromentnahme. Beim Nachladen wird der Ausgangsstrom überwacht und der USB-Ausgang abgeschaltet, sobald das mobile Gerät als geladen bewertet wird. Der minimale Ladestrom liegt grob gesagt im 100 mA Bereich. Dieser sollte im Datenblatt genannt oder sonst durch Messung ermittelt werden. Eine allgemeine Aussage ist wegen der Vielfalt der angebotenen Geräte nicht möglich.
Sofern man seine eigene Elektronik mit Akkus betreiben möchte, ist das Preis-/Leistungsverhältnis dieser Powerbanks so günstig, daß sich ein Eigenbau kaum lohnt. Für viele stromsparende Schaltungen kann der minimale Ladestrom jedoch ein unüberbrückbares Hindernis sein: die Ausgangsspannung wird abgeschaltet, sobald der minimale Ladestrom für einige Sekunden unterschritten wird. Erst nach Trennen des Verbrauchers oder Betätigen des Einschalters (sofern vorhanden), wird die Stromversorgung wieder hergestellt.
Nachfolgende Schaltung soll die Powerbank auch bei kleiner Last aktiv halten, indem ein Gerät vorgegaukelt wird, das noch nicht vollständig geladen ist. Die Schaltung muß als Basis gesehen werden, um sie auf die vorhandene Powerbank anzupassen. Die gezeigte Schaltung erzeugt impulsartige Laströme 100 ms @ 200 mA; die Wiederholrate liegt bei 5 s. Getestet wurde die Schaltung im Februar 2016 an einer Powerbank 6 Ah (von einem Discounter). Neuere PBs verhalten sich teilweise ganz anders, weshalb heutzutage (>= 2022) PB-Wecker mit variablem Timing verwendet werden sollten, wie es weiter unten beschrieben wird. Ein Puls-Pausenverhältnis von 0,3 / 4,5 s hat sich mittlerweile als sinnvolle Standardeinstellung herausgestellt.
Die nachfolgenden, einfachen Schaltungen geben die Entwicklungsgeschichte wieder.
Die Schaltung erzeugt mit R1, C1 und IC1A eine Frequenz von rund 0,2 Hz. R2, C2 und IC1B arbeiten als Impulsformer, der bei jeder fallenden Flanke an Pin3 einen Ausgangsimpuls von rund 100 ms an Pin4 erzeugt. Über den geschalteten Transistor Q1 und den Lastwiderstand R3 wird der Stromimpuls erzeugt, der die Powerbank belastet. IC1 ist ein CMOS4093, der so 'schlappe' Ausgänge hat, daß keine strombegrenzenden Widerstände notwenig sind. Q1 braucht aber eine hohe Stromverstärkung, um den Lastwiderstand voll gegen GND schalten zu können (hier BC337-40). Alternativ kann auch ein N-Kanal MOSFET verwendet werden, dessen EIN-Widerstand von R3 abgezogen wird, um den Gesamtwiderstand nicht zu erhöhen.
Die Basisschaltung kann durch Änderung der Widerstandswerte in weiten Bereichen verändert werden. Ist die Impulsfolge zu langsam, wird R1 verkleinert. Wird ein höherer Laststrom benötig, verkleinert man R3. Diese Werte zu verändern, wird in vielen Fällen notwendig sein. Die Grundlast ist dann hoch genug, wenn die 5 V der Powerbank zu keinem Zeitpunkt abgeschaltet werden. Die LEDs für die Ladeanzeige können allerdings zwischendurch erlöschen, was aber nicht bedeutet, daß der Ausgang auch abgeschaltet ist: probieren und messen.
Mit den angegeben Werten wird die Powerbank aktiv gehalten, was aber immer auch eine kleine Entladung bewirkt. 200 mA für 0,1 s bei 5 s Zykluszeit ergeben eine effektive Stromentnahme von 4 mA. Dieser Strom wird ungenutzt entnommen, wobei sich dieser Verbrauch bezogen auf die große Akkukapazität jedoch in Grenzen hält. Überschlägig gerechnet verbraucht die Schaltung pro Tag rund 100 mAh. Die 6 Ah Powerbank wäre nach rund 40 Tagen entladen. Bis hierhin sieht alles noch recht gut aus.
Hinzu kommen aber noch die internen Verluste in der Powerbank selbst, die zum einen durch den aktiven Schaltregler und zum anderen durch die LEDs der Ladeanzeige entstehen. Für eine genaue Aussage muß man die Schaltung letztlich im Leerlauf betreiben und die effektive Betriebsdauer messen. Mit der gezeigten Schaltung und der genannten 6 Ah Powerbank ergibt sich ohne zusätzliche Last eine Laufzeit von sieben Tagen. Hierbei wird deutlich, daß hauptsächlich die internen Verluste in der Powerbank für die ununterbrochene Laufzeit entscheidend sind.
Um die Baugröße zu reduzieren und vorhandene, überschüssige SMD-Bauteile zu verbrauchen, wurde die obige Schaltung auf einen astabilen Multivibrator reduziert. Eine LED wurde ergänzt und dient der Funktionskontrolle. Die Leiterplatte mit 10 x 12 mm² ist beidseitig SMD-bestückt und paßt in ein USB-A Steckergehäuse. Der "Powerbank-Wecker" kann somit in eine freie Buchse gesteckt oder optional auch ein Kabel zur direkten Stromentnahme angelötet werden. Die Schaltung ist konstruktionsbedingt gegen Verpolung geschützt.
Die Wiederholrate der Impulse liegt weiterhin bei ca. 5 Sekunden, die Impulse selber sind aber auf etwa 250 ms verlängert worden. Zum einen, um die Funktion auch an unterschiedlichen Powerbanks sicherzustellen, und zum anderen, weil das damit verbundene Tastverhältnis von rund 1/20 eine Funktionsgrenze der Schaltung darstellt. Der Laststrom wird wesentlich durch R5 (22 Ohm) bestimmt. Der Spannungsabfall an R5 beträgt ca. 4 V und der aktive Laststrom damit rund 180 mA. Die mittlere Stromaufnahme, mit der die Powerbank belastet wird, liegt bei < 10 mA.
2:
3: 
1: Ansicht von oben; links ist der Steckverbinder (USB-A)
2: Ansicht von unten; links der USB-A Stecker mit seinen Kontakten
3: Stecker im Metallgehäuse und im transparenten Schrumpfschlauch; blinkende
LED bleibt sichtbar
Einschätzung zur Laufzeit:
Ein Langzeittest der gezeigten Schaltung an einer Powerbank Intenso S10000 mit 35 Wh, ergab eine Laufzeit von rund 12 Tagen. Da die eff. Stromaufnahme bei <= 10 mA liegt, wurden vom PB-Wecker rund 15 Wh verbraucht (10 mA x 5 V x 24 h x 12). Der Eigenverbrauch der PB selbst (interner Spannungswandler, LEDs für Ladestatus) lag mit rund 20 Wh sogar noch etwas höher.
Die vorherige Schaltung wurde leicht geändert, indem der Schalttransistor Q3 durch einen MOSFET ersetzt wurde. Damit können höhere Impulsströme eingestellt werden, wie es für leistungsstärkere Powerbanks notwendig sein kann. Zudem entfällt die Belastung von R4/Q2 durch das Gate von Q3, sodaß auch die Schaltzeiten durch die Wahl von R1 und R3 freier gewählt werden können.
Bestückung der Leiterplatte oben und unten:
Für R5 ist die Bauform 1206/1210 vorgesehen. Alle weiteren Widerstände/Kondensatoren
können als 0603 bzw. 0805 bestückt werden. Transistoren sind als SOT23
ausgeführt. Der +-Pol befindet sich oberhalb R5 links neben R6 und ist
auf der Platine durch ein entsprechendes Symbol gekennzeichnet.
Bei Bedarf können Leerplatinen, bestückte Platinen und kompletter
USB-Stick zur Verfügung gestellt werden. Bitte anfragen.
Wie oben schon geschrieben, kann es erforderlich sein, Laststrom und Timing auf die individuelle Powerbank abzustimmen. In jedem Fall sollte neben einem einfachen Funktionstest auch ein Dauerbetrieb zur Ermittelung der Gesamtlaufzeit der vollständigen Anwendung durchgeführt werden.
Bislang wurde die Takterzeugung für die Periodendauer (PD) und Pulsweite (PW) durch eine einfache Schaltung mit RC-Gliedern erzeugt. Der Vorteil ist der einfache Aufbau, nachteilig ist die feste Einstellung der Zeiten. Um das Timing reproduzierbar und stabil einzustellen, bietet sich ein kleiner Mikrocontroller als Impulsgenerator an. Die nachfolgende Schaltung verwendet dazu einen ATtiny25.
Bestückung der Leiterplatte oben, unten und aufgebaut als USB-Stick:
Der µC liefert an seinem Ausgang PB4 Impulse mit einer Dauer von 100
- 500 ms mit 20 ms Rasterung und mit einer Wiederholrate von 3 - 5 Sekunden,
welche im 0,1 s Raster einstellbar ist. Als (konservative) Vorgabewerte sind
0,3 s für PW und 4,5 s für PD programmiert, was einem Tastverhältnis
von 1:15 entspricht.
Q1 in Verbindung mit R1 erzeugt damit die Impulsströme, wie weiter oben
beschrieben.
Um individuelle Zeiten einzustellen, wird zunächst der betreffende Eingang
PD oder PW für 2 s auf GND geschaltet. Damit wird entweder PD auf 3 s oder
PW auf 0,5 s zurückgesetzt, womit jede Powerbank funktionieren sollte (Tastverhältnis
1:6). Dabei ist die eff. Stromaufnahme allerdings sehr hoch und R1 erzeugt einige
Wärme.
Durch kurzes Tasten des PW-Einganges wird die aktuell eingestellte Pulsweite
zunächst intern abgespeichert und erst dann um 20 ms verringert, was zunächst
ungewöhnlich erscheint. Durch Mitzählen kann man durch wiederholtes
Tasten die eff. eingestellte Zeit ermitteln, indem der Rückstellwert (0,5
s) um Tastendrücke x 0,02 s verringert wird. Irgendwann wird die Pulsweite
zu klein werden und sich die PB abschalten. Beim Neustart der Powerbank startet
der µC mit dem zuletzt gespeicherten Wert, bei dem der Impuls noch
lang genug war.
Da eine PB bei zu kleinem Strom verzögert abschaltet, muß man für
die Feineinstellung ein wenig Zeit verwenden oder sich mit einem nicht ganz
optimalen Wert zufrieden geben. Das Abschalten der PB zu verhindern ist wichtiger
als das Erreichen des maximalen Wirkungsgrades!
Die Einstellung der Periodendauer erfolgt in gleicher Weise am PD-Eingang, wobei der Rückstellwert 3 s und die eingestellte Zeit bei jedem Tastendruck um 0,1 s erhöht wird. Auch hier wird durch wiederholtes Tasten die eff. Stromaufnahme immer weiter verringert. Längere Zeiten als 5 s scheinen dei meisten PBs nicht zu 'mögen', weshalb die Einstellung bislang auf diesen Wert begrenzt ist.
Um diese Einstellungen gezielt und kontrolliert vorzunehmen, ist ein Ausgang (TxD) vorhanden, an dem mit 9600 Baud im Format 8N1 die eingestellten Werte auf einem PC/Terminal angezeigt werden können. Ein Inverter ist nicht notwendig, der RxD-Eingang muß aber mit Pegeln von 0 V und +5 V klarkommen.
Ohne USB-Stecker, kann man die Signale TxD, PD und PW direkt am Programmierstecker ISP1 verwenden. Die Widerstände R3 und R4 dienen als Schutzwiderstände, wenn ein USB-Stecker angeschlossen wird und über diesen das Timing einstellbar sein soll.
2019-03-11: Programmerweiterung für Anker Powerbanks
Es hat sich gezeigt, daß sich PBs von Anker besonders leicht wachhalten lassen, indem sie nur alle 30 s mit einem kurzen 0,2 s Stromimpuls belastet werden. Die zusätzliche Stromaufnahme liegt damit bei <= 2 mA. Bisher gab es dafür eine spezielle Programmversion, die nun in das aktuelle Programm vom PB-Wecker integriert wurde. Zu erkennen ist dieser Modus daran, daß direkt nach dem Einschalten drei Blinkimpulse angezeigt werden. Normalerweise ist es nur ein einziger.
Die abwechselnde Einstellung dieser beiden Betriebsarten wird dadurch erreicht, daß beim Einschalten am Eingang PW (Pin 2 im obigen Schaltbild) eine negative Spannung von -1,5 > -9 V anliegt (alte Batterie o.ä.). Der Widerstand R3 verhindert dabei eine Überlastung des µC.
Praktisch dafür ist es, entweder ein passendes USB-Kabel mit USB-A Buchse zu verwenden, dessen einzelne Adern freigelegt werden, oder man verwendet ein Y-Kabel. Beim Y-Kabel steckt man den PB-Wecker in die USB-A Buchse und den USB-A Stecker, der nur zweipolig angeschlossen ist (dünneres Kabel) an eine 5 V Spannungsversorgung. An die Datenleitungen kommt man dann am 2. USB-A Stecker, den man ggf. auch abtrennen kann, um an die einzelnen Adern zu gelangen.
Ziel dieser Aktion ist es, beim Einschalten am Eingang PB2 des µCs einen Spannungspegel < 0,1 V zu erhalten. Schaltet man nur den Eingang PW an 0 V, ist dieser Pegel noch zu hoch (ca. 0,9 V), da R3 einen Spannungsabfall verursacht. Erst eine negative Spannung an PW kann den Pegel an PB2 hinreichend absenken.
Alternativ kann man auch das Signal SCLK am Programmierstecker ISP1 gegen 0 V legen, sofern sich die kleine Leiterplatte nicht im Schrumpfschlauch befindet. Oder man stellt den Kontakt mit einer Nadel her, die durch den Schrumpfschlauch gepiekst wird. Man braucht dafür dann keine negative Spannung.
Auf den ersten Blick mögen die ganzen Einstellmöglichkeiten kompliziert erscheinen und für den "normalen" Gebrauch auch garnicht erforderlich sein. Mit etwas Geduld kann man aber alle Einstellungen wieder korrigieren und kann auch nichts kaputt machen.
2019-08-30: Achtung, bei neueren Typen von Anker kann es Probleme geben,
diese wachzuhalten!
Es hat sich gezeigt, daß Anker PBs mit 20,1 Ah davon betroffen sind. Erkennen
kann man es daran, daß diese PBs erst nach rund zwei Minuten ohne Last
abschalten. Diese Powerbanks brauchen zum Aufwecken einen etwa 3 s langen Stromimpuls,
wofür ein spezielles Programm erforderlich ist und die oben gezeigte Schaltung
einen stärkeren Widerstand R1 benötigt, der die Verlustwärme
verträgt.
2020-01-01: längere Periodendauer (Impulsabstand) einstellbar.
Um den Wirkungsgrad für spezielle PBs zu erhöhen, ist die Periodendauer
nun bis auf 24 s einstellbar. Die Einstellung von 3 - 5 s im 100 ms Raster ist
wie oben beschrieben. Oberhalb von 5 s ist die Schrittweite auf 1 s erhöht,
sodaß man zügig längere Zeiten einstellen kann. Das ist besonders
für Anwender interessant, die möglichst lange Laufzeiten für
Schaltungen mit kleiner Stromaufnahme erreichen möchten.
Beispielhaft hierfür sei eine PB IAP-8000 genannt, die mit 0,1 s Impulsen
nur alle 15 s einen Stromimpuls zum Wachhalten benötigt.
2020-11-28: Programmerweiterung für Anker PBs
Um das Problem des notwendigen, langen Lastimpulses neuerer Anker PBs zu lösen
(siehe: 2019-08-30), gibt es jetzt einen neuen Modus, der den Impulsabstand
auf 90 s und die Impulsdauer auf ca. 3 s fest einstellt. Dieser wird genau so
aktiviert wie weiter oben unter 2019-03-11 beschrieben.
Bei diesem Modus blinkt die LED beim Einschalten des PB-Weckers zweimal. Die
Modi werden zyklisch nacheinander eingestellt, sofern beim Einschalten des PB-Weckers
eine leicht negatve Spannung am Eingang PW anliegt:
| 1 x Blinken | Timing läßt sich frei einstellen |
| 3 x Blinken | Anker Modus 1, alle 30 s ein Impuls von 0,2 s Dauer |
| 2 x Blinken | Anker Modus 2, alle 90 s ein Impuls von 3 s Dauer |
| 1 x Blinken | neuer Zyklus: wieder frei einstellbares Timing |
| 3 x Blinken | ... |
Einfaches Beispielprogramm für ATtiny25:
Für die zuvor gezeigte Schaltung eignet sich das kleine Programm PBW-wdt.c. Dabei wird der µC alle 4 s per Watchdog-Timer (WDT) aufgeweckt und erzeugt einen ca. 300 ms langen Impuls an PB4. Danach legt sich der µC wieder schlafen und wartet auf einen erneuten WDT Überlauf. Die Stromaufnahme liegt bei ca. 6 - 8 µA im Schlafmodus und ca. 0,2 mA, wenn der Ausgangsimpuls erzeugt wird. Hier noch die fertige PBW-wdt.hex -Datei, die nur 134 Bytes groß ist.
2021-12-24: Lichterkette mit Powerbank betreiben
Für wenig Geld gibt es mittlerweile Lichterketten mit 24 und mehr LEDs
zu kaufen, die im Batteriebetrieb diverse Blinkmodi und eine 6/18 Stunden Ein-Aus-Timerfunktion
bieten. Ein ruhiges, einfaches Dauerlicht läßt sich erst nach Durchtasten
durch teils fragwürdige Blinkeffekte einstellen. Der Betrieb an einem USB-Netzteil
oder einer Powerbank ist nicht vorgesehen. Die Blinkeffekte benötigen eine
spezielle Schaltung der LEDs, sodaß in einer Polung die geraden und mit
inverser Polung die ungeraden LEDs in der Kette leuchten. Ohne zusätzliche
Schaltung ist daher kein durchgehender Betrieb mit USB-Netzteil oder Powerbank
möglich.
Die folgende Schaltung ist eine Abwandlung des PB-Weckers mit ATtiny25 und sorgt neben der alternierenden Polung der LEDs auch für das Wachhalten einer PB, indem alle 4 s Stromimpulse von 80 mA und 0,3 s Dauer die PB belasten. Zusammen mit den rund 40 mA Stromverbrauch der Lichterkette, die hier ohne Vorwiderstand zur Strombegrenzung auskommt, bleiben viele PBs aktiv. Die Schaltung ist auf minimalen Bauteileaufwand reduziert.
Auch wenn Schaltung + Programm eher saisonal benötigt werden, vielleicht hilft es auch für andere Anwendungen. Zur direkten Verwendung hier die .hex-Datei.
2018-05-21:
Alle weiter oben gezeigten Schaltungen haben das Ziel, die verwendete Powerbank
unabhängig vom angeschlossenen Verbraucher möglichst lange eingeschaltet
zu halten. Bei Anwendungen, bei denen der angeschlossene Verbraucher jedoch
selber über eine interne Pufferbatterie nebst Ladeschaltung verfügt,
ist das permanente Wachhalten zum einen nicht erforderlich, erhöht zum
anderen die Verluste und verkürzt dadurch die Laufzeit. Mit der hier gezeigten
Schaltung kann die Laufzeit deutlich erhöht werden, indem das angeschlossene
Gerät periodisch (typ. alle 24 Stunden) nachgeladen wird und die Powerbank
ansonsten abgeschaltet bleibt.
Wichtig: Das aufzuladene Gerät und die verwendete Powerbank sollten
so zueinander passen, daß die Ladefunktion auch ohne die gezeigte Schaltung
zustande kommt. Andernfalls muß das Programm modifiziert werden, um die
Powerbank sicher in Betrieb zu halten, bis das Nachladen abgeschlossen ist!
Prinzipschaltbild; Bauteilewerte können je nach Anwendung geändert
sein.
Die gezeigte Ladeschaltung läd nach Aktivierung - der µC ist anfangs
spannungsfrei (Speicherkondensator C2 ist entladen) und sein Programm wird nach
Anstecken der Powerbank neu gestartet - das angeschlossene Gerät zunächst
auf.
Die kürzeste Ladephase beträgt dabei 30 Minuten. Während dieser
Zeit wird die PB unabhängig von einer Belastung am Ausgang "+AUS"
wach gehalten. Damit wird einerseits eine Mindestladung sichergestellt und andererseits
ermöglicht, daß während dieser Phase die PB getauscht werden
kann, ohne den Ladevorgang vorzeitig abzubrechen. Nach dieser minimalen Ladezeit
werden Powerbank und angeschlossenes Gerät sich selbst überlassen,
indem die PB solange eingeschaltet bleibt bis der Akku des angeschlossenen Gerätes
aufgeladen ist und der Laststrom entfällt. Um sicherzustellen, daß
die PB auch bei Verbrauchern ausgeschaltet wird, deren Laststrom die PB immer
wachhalten würde, ist ein Timeout von 3 Stunden vorgesehen, sodaß
der Ladezyklus nach >= 3,5 Stunden immer beendet wird. Anschließend
bleibt die Powerbank für 24 Stunden abgeschaltet, um danach einen neuen
Ladezyklus zu starten.
Der steuernde Mikrocontroller benötigt für seine Funktion einen
kleinen Ruhestrom, der für einige Zeit aus dem Kondensator C2 bezogen wird.
Circa Laufzeiten: C2 = 1 mF 10 Minuten; C2 = 0,1 F 5 Stunden. Wird
C2 zu sehr entladen, wird die Powerbank kurz aufgeweckt, um C2 wieder aufzuladen.
Dieses Aufwecken erspart eine weitere Stromversorgung und vermindert die gesamte
Laufzeit nicht nennenswert. Alternativ kann für C2 ein deutlich größerer
Kondensator (0,1 - 1 F) verwendet werden, der den µC viele Stunden
oder auch einen ganzen Tag versorgen kann.
Bei vielen Powerbanks sinkt die Ausgangsspannung im ausgeschaltenten Zustand
jedoch nicht unter die Betriebsspannung des µC ab (<= 1,8 V),
sodaß garkein Nachladen von C2 erforderlich ist. Sicherheitshalber erfolgt
dennoch alle 5 Stunden ein Nachladen des Kondensators.
Zum Timing:
Das Nachladeintervall sollte so gewählt werden, daß ein Nachladen
etwa nach der halben maximalen Laufzeit des angeschlossenen Gerätes erfolgt.
Damit wird sichergestellt, daß bei einem Wechsel der Powerbank immer genug
Restlaufzeit vorhanden ist, selbst wenn der gerade stattfindende Ladevorgang
durch den PB-Wechsel abgebrochen werden sollte. Da sich die Kapazität des
Geräteakkus im Laufe der Zeit verringert (die angegebene Ladezyklenanzahl
bezieht sich meist auf eine Kapazitätsverringerung auf 60%), wird durch
das zeitige Nachladen erreicht, daß auch nach vielen Ladevorgängen
immer eine hinreichende Mindestlaufzeit eingehalten werden kann.
Beim Laden von LiIon- bzw. LiPo-Akkus ist es von Vorteil, wenn die Zellen nie voll entladen werden. Auch ein vollständiges Aufladen ist nicht erforderlich. Es werden sogar eine höhere Anzahl von Lade-/Entladezyklen erreicht. Beim Laden kann es je nach Gerät vorkommen, daß für die letzten 10 % der Ladung die gleiche Zeit benötigt wird wie zuvor für die Aufladung auf 90 %. Daher ist es nicht von Nachteil, rechtzeitig nachzuladen beziehungsweise den Ladevorgang mit einem Timeout nach einigen Stunden abzubrechen. Genaue Zeiten müssten individuell ermittelt werden, wobei das oben beschriebene Timing (30 Minuten + <= 3 Stunden) für gängige Anwendungen gut passen sollte.
So arbeitet die aktuelle Ausführung. Die angegebenen Zeiten können
in weiten Bereichen angepaßt werden. Dabei ist zu beachten, daß
das Timing keine hohe Genauigkeit aufweist, was für den vorgesehenen Anwendungsfall
aber unbedeutend ist.
Individuelle Anpassungen bitte anfragen!
Musterplatinen (ca. 10 x 30 mm²) mit SuperCap 0,1 F und USB-A-Stecker zur Größeneinschätzung
Was kann man erwarten?
Wie geschrieben eignet sich diese Schaltung nur für Geräte/Verbraucher,
die über einen eingebauten Akku verfügen. Geht es allein darum, ein
Gerät für beispielweise eine Woche in Betrieb zu halten, und reicht
dazu die Kapazität der Powerbank in Verbindung mit einem Powerbank-Wecker
aus, dann braucht man diese Ladeschaltung nicht. Geht es aber darum, eine längere
Laufzeit zu erhalten, lohnt sich eine Betrachtung der verbrauchten Leistung.
Angenommen, Powerbank-Wecker und interne Elektronik einer Powerbank benötigen zur Wachhaltung einen Strom von 30 mA bei 5 V. So werden pro Tag allein ohne externe Last 3,6 Wh (0,03 A * 5 V * 24 h) verbraucht. Eine 10 Ah Powerbank, die bezogen auf die interne Spannung von 3,7 V rund 37 Wh liefert, wäre nach gut 10 Tagen entladen - selbst ohne jede Last. Die Nachladeschaltung schaltet die Powerbank aber nur 1 x am Tag für 0,5 h ein, was die entnommene Ladung auf 1/48 = 0,075 Wh reduziert. Damit wäre statt 10 Tagen eine Laufzeit von rechnerisch über einem Jahr möglich, wenn man die Verluste durch Selbstentladung außer Acht läßt.
Diese Berechnung bezieht sich allein auf die Bereitstellungszeit, die für
die Nachladungen ermöglicht wird. Natürlich muß die Energie,
die für das Nachladen vom Verbraucher entnommen wird, noch hinzugerechnet
werden. Das kann für die konkrete Anwendung so abgeschätzt werden,
daß man die Laufzeit des Gerätes ohne Nachladung mißt/schätzt
und ermittelt, wie oft die vorhandene Powerbank das Gerät erneut aufladen
kann.
Beträgt die Laufzeit des Gerätes beispielsweise 7 Tage und es sind
10 Nachladungen möglich, wäre die Laufzeit in dieser Kombination idealerweise
70 Tage. Da die Nachladeschaltung zusätzlich Leistung benötigt, muß
man (der vorausgegangenen Rechnung folgend) pro Tag 0,075 Wh Verlust berücksichtigen,
was in 70 Tagen 5,25 Wh wären. Bezogen auf die oben vermutete Powerbank
mit 37 Wh wäre das rund 1/7 der gesamten Ladung der Powerbank. Von
den 70 Tagen blieben damit 60 Tage Laufzeit übrig.
Die vorherige Rechnung ist grob und nur beispielhaft. Was aber zu sehen ist, daß die zuvor erreichbare Laufzeit von 10 Tagen Bereitschaft (d.h. ohne eigentlichen Verbraucher) auf 60 Tage einschließlich Verbraucher gestiegen ist. Was ferner zu sehen ist, daß die Laufzeit gerade dann deutlich ansteigen kann, wenn das betriebene Gerät selber keine hohe Leistung verbraucht. Anhand dieser Beispielrechnung kann man eine Einschätzung bekommen, welche Laufzeit für die eigene Anwendung zu erwarten wäre.
2019-07-01:
Bislang wurde das Nachladeintervall unabhängig von dem angeschlossenen
Gerät eingehalten. Das konnte nachteilig sein, wenn ein Gerät mit
unbekanntem, niedrigem Ladzustand des internen Akkus angeschlossen wurde und
der Akku nicht mehr bis zum Nachladen durchhalten konnte.
Nunmehr ist es möglich, einen Nachladezyklus sofort zu beginnen, wenn für
>= 3 Minuten keine PB angeschlossen war. Nach dieser Zeit wird das Nachladen
sofort gestartet, sodaß der Geräteakku auf jeden Fall voll aufgeladen
wird.
Hinweis zu Anker-PBs, die sich nicht für die Nachladeschaltung
eignen:
Während übliche Powerbanks im abgeschaltetem Zustand eine kleine,
positive, hochohmige Spannung (1 - 3 V) an ihrem Ausgang liefern, um ein neu
angeschlossenes Gerät zu erkennen, wird bei Anker-PBs eine negative Fühlerspannung
an den Ausgang gelegt. Durch diese verpolte Spannung wird jede elektronische
Schaltung beim Einstecken des Kabels sicher erkannt, da die Elektronik mit ihren
parasitären Dioden wie ein "Kurzschluß" wirkt. Auf der
anderen Seite bleibt dieser Kurzschluß auch bestehen, wenn die PB mit
angeschlossener Elektronik abgeschaltet hat. Eine externe Aktivierung der Anker-PB
ist daher nicht möglich.
Typische Ausführung: Nachladekabel mit USB-A Stecker (Powerbank) und 50 cm Kabel micro-USB Stecker (Gerät).
2024-06-23:
Die Zuvor gezeigten Schaltungen dienen dazu, eine Powerbank entweder permanent
aktiv zu halten oder zu groben Zeitpunkten zu aktivieren. Hier soll gezeigt
werden, wie eine handelsübliche Wochenschaltuhr so genutzt werden kann,
daß eine Powerbank recht genau ein- und ausgeschaltet werden kann. Wichtiges
Ziel dabei ist, die PB im Ruhezustand nicht zu belasten.
Handelübliche Timermodule laufen zumeist mit einem 40 mAh NiMH-Akku bei ca. 1,2 V. Da die Stromaufnahme der Uhr nur wenige µA beträgt, kann bei vollem Akku mit einer Laufzeit von etwa einem Jahr gerechnet werden. Um die PB im AUS-Zustand nicht zu belasten soll der interne Akku nur dann nachgeladen werden, wenn der Ausgang eingeschaltet ist. Im Netz finden sich unterscheideliche Module, die für 5 VDC geeignet sind. Der Suchbegriff dafür kann ‚Sinotimer‘ sein. Hier wird das Modell CN101S-5V verwendet, was von Hause aus schon auf 5V-Betrieb eingerichtet ist und sekundengenaues Schalten ermöglicht. Es gibt einen Eingang und einen Ausgang. Andere Modelle haben einen Relaiskontakt als Ausgang oder schalten in Minutenintervallen. Im Grunde ist deren Funktion aber sehr ähnlich.
der Schaltplan des CN101S-5V:
Die Schaltung/Leiterplatte wird wohl für viele der angebotenen Modelle verwendet, wobei hier nur die für 5 – 24 VDC notwendigen Bauteile bestückt sind. Im Grunde müssen nur ein anderes Relais und für R6 ein größerer Wert bestückt werden. Q1 in Verbindung mit U1 begrenzen die interne Spannung auf 5 V, welche per R1, D2 und D1 nochmals für das Laden des Akkus reduziert wird. Q2 mit K1 bilden den Schaltausgang, wobei die Ansteuerung von Q2 mit den Dioden D6 und D8 sowie R11 dafür sorgen, daß der Schaltausgang des Uhrenmoduls nicht belastet wird. Später wird das Relais entfernt, die GND-Verbindung fest geschlossen, +5 VDC aufgetrennt und ein FET als Schalttransistor in die +5 V-Leitung gelegt.
Die Stromaufnahme beträgt ca. 5 mA im Zustand AUS und ca. 45 mA im Zustand
EIN, wobei sich das Relais rund 40 mA gönnt. Wegen der hohen Ruhestromaufnahme
kann man hiermit keine Powerbank betreiben. Einmal abgeschaltet würde sie
nicht mehr starten. Es muß etwas umgebaut werden.
Ein Kritikpunkt: mit dem eingebauten Relais wird die GND-Verbindung geschaltet.
Sobald Schaltungen mit gemeinsamer GND-Verbindung betrieben werden ist dies
sehr ungünstig.
Die ursprüngliche Leiterplatte mit den SMD-Bauteilen sieht so aus. 2 x
Elkos, 1 x Relais, 1 x Akku und 1 x Steckverbinder befinden sich auf der Oberseite.
Dazu ein Bild, welche Bauteile/Verbindungen/Lötstellen entfernt/angepaßt
werden müssen:
Hier der modifizierte Schaltplan:
Entfernt wurden: K1, D4, Q2, R10, R11, D6, D8. Anstelle der entfernten D6 und D8 wurden die freigewordenen R10 und R11 als Überbrückung eingelötet. ON-OFF des Uhrenmoduls steuert nun leistungslos das Gate von T1 an. Die Schaltung kann für höhere Versorgungsspannungen angepaßt werden.
Für T1 wird ein AO3400 und T2 ein AO3401 verwendet. Wichtig ist eine niedrige Schaltschwelle Vgth von T1, damit die rund 1,3 V Schaltspannung diesen FET hinreichend durchsteuern können. Der Schaltkontakt (GND) vom Relais wurde überbrückt und T2 dient als Schalter für die durchgetrennte +5 V Leitung. R7 hält T2 im AUS-Zustand komplett abgeschaltet. Die Stromaufnahme Im AUS-Zustand beträgt jetzt 0,00 µA. So soll es sein.
PBs haben einen Ruhepegel am Ausgang von 2 - 3 VDC. Beim Einschalten wird T1 leitend, schaltet damit T2 und der PB-Ausgang wird belastet: die PB startet, der Ausgang und die Ladeschaltung bekommen ihre Versorgungsspannungen.
Ein Foto der modifizierten Leiterplatte:
