18650 Lademodul als Stromversorgung 5V / 1.6A

Dieser Beitrag wurde uns von dem Gastautoren Michael Klein zugesandt:

Das 18650-Board ist als Powerbank (Lademodul) konzipiert und sehr einfach einzusetzen. Das Board wird mit einem 18650-Akku verbunden, der 3.7 Volt liefert. Das Board kann diesen Akku über USB  laden. Will man später mit dem Board ein Gerät versorgen, das 5 Volt benötigt und über USB angeschlossen wird, dann wandelt der Step-Up Wandler auf dem Board die 3.7 Volt in 5 Volt um.

Stückliste

• C1                   Elektrolytkondensator, 220 uF
• C2                   Kondensator, 10 nF
• Q1                   npn-Transistor wie z.B. BC 237, 2N2222 o.ä.
• Q2                   npn-Transistor 2N3019
• R1                   100 kΩ, 1/8 W
• R2                   6,2 kΩ, 1/8 W
• R3                   4,7 kΩ, 1/8 W
• R4                   47 kΩ, 1/8 W
• R5                   2,2 kΩ, 1/8 W
• R6                   100 Ω, 1/8 W
• R7                   17,5 Ω, 1/2 W
• U1                   Timerbaustein NE555

Lochrasterplatine

Widerstandssortiment: 0 – 1MΩ

Kondensatorsortiment

Elko-Sortiment

Wie Bild 1 zeigt, verfügt es über drei Ladeeingänge, USB -C, Micro USB sowie einen Lightning Eingang. Die beiden USB-A Ausgänge können zusammen mit insgesamt 1.6 A belastet werden.

Bild 1

Beim Anschluss des 18650-Akkus muss man darauf achten, dass die Polarität auch wirklich stimmt. Also bitte zweimal hinschauen, bevor der Akku und vielleicht auch die Platine zerstört werden (Brandgefahr). Bild 2 zeigt die Anschlusspunkte.

Bild 2

Wird das Modul ausschließlich als Powerbank verwendet, so ist jetzt alles gesagt.

Hier geht es um die Herausforderung, das Board sowohl in seiner vorgesehenen Funktion, als auch als Stromversorgung zu benutzen. Dabei war es ein Ziel, mindestens einen USB-Ausgang frei zu halten, um ein weiteres Messgerät anzuschließen. Bild 3 zeigt den gewünschten Anwendungsfall: Das Board soll huckepack (open Frame) einen kleinen Funktionsgenerator versorgen und außerdem z.B. einen Mini-Oszillographen.

Bild 3

Da die Stromversorgung des Funktionsgenerators nicht über eine der USB Buchsen erfolgen sollte, musste zunächst herausgefunden werden, wo der Wandler seine 5 V auf der Platine bereitstellt. Dies sieht man ganz gut auf Bild 4. Die große verzinnte Fläche ist der Minuspol (GND), der kleine markierte Punkt ist mit dem 5 V-Pluspol verbunden. Dort kann die Spannung abgenommen werden. Sie ist ausreichend rauscharm mit wenig Artefakten aus dem Spannungswandler, so dass ein Messgerät damit vernünftig betrieben werden kann.

Bild 4

Wem Rauschen und Wandler-Artefakte noch zu dominant sind, der schaltet einen Tiefpass nach. In meinem Fall habe ich mich mit einem 47µF Kondensator begnügt.

An diesem Punkt angekommen, dachte ich eigentlich: Wunderbar, jetzt bin ich fertig. Wie so oft in der Elektronik, war dies ein Irrtum.

Das ganze Board ist als Ladegerät z.B. für ein Mobiltelefon gedacht. Daher wird der Ladestrom ständig gemessen. Wenn er für mehr als ca. 60 Sekunden unter 165 mA fällt, schaltet sich das Board ab. Die Designer gingen wohl davon aus, dass dann der Verbraucher aufgeladen ist. Das ist natürlich unpraktisch, wenn man einen Funktionsgenerator betreiben will, der max. 50 mA aufnimmt.

Es musste also eine Schaltung her, die innerhalb des 60s–Intervalls den Wandler wieder „aufweckt“. Es waren einige Experimente nötig, um herauszufinden, dass der Wandler mit einem Strom von circa 170 mA wieder aktiviert wird. Dazu reicht es allerdings nicht aus, einmal innerhalb des 60s-Intervalls den Wandler zu belasten. Experimentell stellte sich heraus, dass dazu zwei Impulse nötig sind. Es scheint auch Exemplarstreuungen bei den Boards zu geben.

Bild 5

Es entstand eine Schaltungssimulation entsprechend Bild 5 mit dem klassischen Timermodul NE555. Dieser Baustein ist ein typisches Arbeitspferd, kostet wenig und ist zuverlässig. Außerdem ist er einfach zu handhaben und in verschiedensten Versionen verfügbar. Die Schaltung bietet keine Besonderheiten. Man sieht die üblichen Zeitglieder, um die Wartezeit von circa 30 s und eine Impulszeit, in der der Akku belastet wird, von circa 0,5 ... 1 s, herzustellen. Am Ausgang des Timers finden sich zwei Transistoren. In der ersten Transistorstufe kann jeder beliebige npn-Transistor mit einem Beta von ca. 100 oder mehr eingesetzt werden. Er steuert in diesem Fall einen BC140 an, der als „Leistungsstufe“ einen Widerstand von 17,5 Ω für die Belastung des Akkus schaltet. Der BC140 kann durch jeden ähnlichen Typ ersetzt werden, der >500 mA Kollektor-Emitterstrom verträgt.

Die Schaltung habe ich "Heartbeat-Modul" genannt, in Anlehnung an andere Schaltungen dieser Art. Wenn man das 18650-Board z.B. mit einem Arduino benutzt, kann man den ‚Heartbeat‘ auch vom Arduino generieren lassen und über einen seiner digitalen Ports der Basis des linken npn-Transistors zuführen. So kann man auf den NE555 verzichten.

Bild 6 zeigt den Aufbau auf einer AZ-Rasterplatine:

Bild 6

Praktischer Einsatz

Im praktischen Einsatz gibt es zwei Möglichkeiten. Wenn ich den Funktionsgenerator benutze, ohne dass das 18650-Board ein weiteres Gerät versorgt, verbinde ich über ein nach außen geführtes USB-Kabel mit Stecker das "Heartbeat-Modul" mit einem der USB Anschlüsse. Alle 30 s bekommt der Wandler einen Erinnerungs-Stromstoß, das Display zeigt für ca. 30 s den aktuellen Ladezustand an und schaltet danach aus. Nur "out" wird weiter angezeigt, als Hinweis, dass der Wandler aktiv ist.

Die zweite Möglichkeit: Andere Geräte sind angeschlossen und es kommen > 170 mA an Belastung zusammen. In diesem Fall nehme ich den USB Stecker für das "Heartbeat-Modul" wieder raus, denn dann schaltet der Wandler auch nicht mehr ab.

Das kleine Gerät mit dem Huckepack-Modul zeigt Bild 7:

Bild 7

Wer bis dahin gut aufgepasst hat, wird sich fragen: Warum der Stecker, um das Modul zu belasten? Würde es nicht auch ein Schalter tun? Den schaltet man ein, wenn die Belastung zu klein ist, ansonsten bleibt er aus? Na klar - völlig richtig! Dazu sollte man einen sehr feinen Lötkolben haben, eine gute Lötlupe (oder Lötmikroskop) und eine ruhige Hand. Dann kann man einen Umschalter für das "Heartbeat-Modul" auf der Platine direkt an den USB-Stecker anlöten. Als weiteren Vorteil hat man dann sogar zwei USB-Anschlüsse frei. Mir war die gezeigte Variante angenehmer, weil ich vermutlich den Schalter ab und zu vergessen hätte. Der zusätzliche Stecker ist auffälliger und hat sich bewährt.

Erfahrungen

Die Schaltung läuft zuverlässig und "stiehlt" dem Akku ca. 0,5 ... 1% seiner Kapazität.  Wie lange das Ganze funktioniert, hängt wesentlich von der Qualität und dem Zustand des 18650-Akkus ab, sowie von der Gesamtbelastung. Bild 8 zeigt eine typische Entladekurve:

Bild 8

Eine Besonderheit: Wenn man sich Herstellerangaben zum 18650 anschaut, dann sieht man, dass in den ersten Minuten der Belastung die Akkuspannung ziemlich stark abfällt, bevor sie dann in einen fast schon linearen Bereich übergeht. Das hat damit zu tun, dass die Endspannung nach dem Ladevorgang bei bis zu 4,1 V liegt, also rund 0,4 V (10 %) oberhalb der Nennspannung. Man sollte also nicht geschockt sein, wenn in den ersten 15 Minuten scheinbar 10% der Kapazität verbraucht scheinen: Der Akku hält trotzdem durch. Bei meinen Experimenten komme ich in der Regel auf 12 h Dauerbetrieb ohne alle Probleme. Das 18650-Board schützt den Akku vor Tiefentladung. Wenn es 0 % anzeigt, schaltet es automatisch ab.

Viel Spaß mit dem 18650-Board und dem "Heartbeat-Modul".

Michael Klein

art-of-electronics.blog