Grundlast für Powerbank

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.

 

Abschalten verhindern:

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 an einer Powerbank 6 Ah, wie sie aktuell angeboten wird (2016-02).

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.

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"Powerbank-Wecker": mini-Schaltung im USB-A Stecker

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.

Schaltplan:

Bestückung der Leiterplatte oben und unten:

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.

Bilder zum Aufbau der Schaltung:

1: 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.

 

modifizierte Schaltung:

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.

 

Schaltung mit variablem Timing (vorab):

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.

Der µC liefert an seinem Ausgang PB4 Impulse mit einer Dauer von 500 - 100 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 zuvor 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 ist unkritisch!

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 PBs nicht zu 'mögen', weshalb die Einstellung 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 sind Schutzwiderstände, wenn ein USB-Stecker angeschlossen wird und über diesen das Timing einstellbar sein soll.

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