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.

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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.

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Schaltung mit variablem Timing (endgültige Version ab August 2017):

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 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.

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.

Zu der zuletzt gezeigten Schaltung mit ATtiny25 sind Leerplatinen, teilbestückte Platinen sowie die Ausführung als fertiger USB-Stick erhältlich. Bei Bedarf bitte anfragen.

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periodisches Laden mit Powerbank

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 Gerät 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 Zeit der 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. Dadurch werden im Gegenteil 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

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