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Solar Gartenleuchte

Unter dem Vorwand, eine Gartenleuchte konstruieren zu wollen, untersuchen wir ein Akku-Lademodul, das mit einer Schutzschaltung gegen Tiefentladung ausgestattet ist. Das Herz des Moduls bildet der Chip TP4056, der zum Laden von Li-ion und Li-po Akkus entwickelt wurde. Die Voraussetzung dafür ist, dass es sich dabei um 3,7V Akkus handelt, die eine Ladeschlussspannung von 4,2 V haben. Eine Schaltung mit einem Modul, das ebenfalls auf dem Chip TP4056 basiert, ist unter diesem Link zu finden:

In diesem Fall verfügt das Modul zusätzlich über eine Schutzvorrichtung, die dafür sorgt, dass es zu keiner Tiefentladung kommt. Gelingt es nicht, einen Akku vor der Tiefentladung zu schützen, ist er meistens nicht mehr zu retten und muss entsorgt werden. Eine Schaltung zu konstruieren, die nicht imstande ist, einen Akku vor der Tiefentladung zu schützen, ist praktisch sinnlos.
Das Problem bei Verwendung unterschiedlichen Akkus besteht darin, dass die Li-ion und Li-po Akkus unterschiedliche Entladeschlussspannungen haben. Das Modul schaltet jedoch die Batterie nur bei einer bestimmten Spannung und zwar bei 2,5V ab. Das ist die Entladungsgrenze eines Li-ion Akkus. Die Grenze eines Li-po Akkus liegt jedoch deutlich höher und zwar bei 3,3V. Um das Problem zu lösen, werden in unseren Tests nur Li-po Akkus verwendet, die über eine eingebaute Schutzelektronik verfügen. Damit ist die Gefahr, die Akkus zu beschädigen, gebannt und wir können uns weiteren Funktionen der eigentlichen Gartenleuchte-Schaltung widmen.

Solarpanele. Die Stromversorgung übernehmen zwei Solarpanele, die in Reihe verschaltet werden. Bei guten Lichtverhältnissen liefert diese Spannungsquelle eine Spannung von 12V. Die Panele dürfen mit maximal 150 mA belastet werden.

Das Lademodul arbeitet mit einer Spannung von 5V. Da die Panele eine höhere Spannung liefern, wird sie mit dem Spannungsregler LM317 auf 5V runtergeregelt.

TP4056-Modul mit Schutzschaltung

Das Modul ist ähnlich aufgebaut, wie das „TP4056“-Modul ohne Schutzschaltung.

Die Spannungsversorgung kann an die Pins +/- angeschlossen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, für diese Aufgabe Mikro-USB zu nutzen. Zwei Leuchtdioden informieren über den aktuellen Status des Ladevorgangs. Rote LED steht für den laufenden Ladevorgang. Blaue LED besagt, dass Akku vollständig aufgeladen ist. Mit dem Widerstand R3 kann der Ladestrom eingestellt werden. Im Auslieferungszustand ist die kleine Platine mit einem 1,2 kOhm Widerstand bestückt. Damit beträgt der maximale Ladestrom 1A. An die Anschlüsse B+/B- wird der Akku angeschlossen. Der Verbraucher wird an die Pins Out+/Out- angeschlossen. Damit ein Li-ion Akku nicht beschädigt wird, wird die Stromentnahme bei 2,5V unterbrochen.

Lademodul TP4056 mit Schutzschaltung

Das Herzstück des Modul ist die integrierte Schaltung TP4056

Auf der Rückseite des Moduls sind keine weiteren Komponenten untergebracht.

Li-ion Akku

Li-ion Akku. Spannung 3,7V, 800mAh

Li-po Akku

Li-po Akku. Spannung 3,7V, 1100mAh

Transistor AUIPS 1031

Für Testzwecke kommt in der Schaltung als Lastschalter der Mosfet-Transistor AUIPS 1031 zum Einsatz. Die Leistung des Transistors muss an die Leistung des Verbrauchers angepasst werden. Da in der Schaltung als Gartenleuchte lediglich eine Leuchtdiode geschaltet wird, ist der Transistor sehr stark überdimensioniert.

OP LM358

Der Operationsverstärker LM358 übernimmt in der Schaltung die Rolle eines Komparators. Er vergleicht zwei Spannungen, die von zwei Spannungsteilern gebildet werden. In einem der Spannungsteiler wirkt ein Fotowiderstand mit. Er bestimmt, wann die Gartenleuchte eingeschaltet werden soll.

Fotowiderstand

Ein Fotowiderstand verändert seinen Widerstand abhängig von dem anfallenden Licht. Der hier mitwirkende Fotowiderstand erreicht bei Dunkelheit Widerstandswerte über 25 kOhm. Je heller es wird, umso kleiner wird sein Widerstand. Bei hoher Helligkeit fällt sein Widerstand unter 1 kOhm.

Der Schaltplan

Schaltplan

Die in Reihe geschalteten Solarpanele sorgen in der Schaltung für die Energie. Bei günstigen Lichtverhältnissen können sie bei einer Gesamtspannung von 12V ca. einen Strom in Höhe von 150 mA Liefern. Mit dem Spannungsregler LM317 wird die hohe Eingangsspannung auf 5V runtergeregelt. Mit der Spannung wird das auf dem TP4056-Chip basierende Akku-Lademodul versorgt. Am Tag, während der Verbraucher (z.B. Gartenleuchte) abgeschaltet ist, kann Akku geladen werden. Für den Fall, dass Akku einen zu hohen Strom anfordert, wird der Ladestrom in diesem Fall auf 130 mA begrenzt. Um dies zu erreichen, wird der Widerstand R3 (1,2k) auf dem Modul gegen einen 10kOhm Widerstand ausgetauscht.
Mit dem Fotowiderstand werden die aktuellen Lichtverhältnisse überwacht. Beim Einbrechen der Dunkelheit erhöht sich sein Widerstand. Dadurch verändert sich auch die Spannung am Spannungsteiler, den er zusammen mit dem Widerstand R4 bildet. Diese Spannung wird mit der Spannung des Spannungsteilers R5-R6 verglichen. Diese Aufgabe übernimmt der Operationsverstärker LM358. Sobald die Spannung am Pin 3 die Referenzspannung am Pin 2 übersteigt, wird sein Ausgang gesetzt (Pin 1). Damit wird der als Schalter fungierende Transistor T1 aktiv und der Verbraucher mit Strom versorgt.
Es können für der Schaltung Li-ion und Li-po Akkus eingesetzt werden. Die Li-ion Akkus werden von dem Lademodul vor Tiefentladung geschützt. Die Li-po Akkus sollen über eigene Abschaltelektronik verfügen.

Die Testschaltung

Testschaltung

Kurzvideo

Kurzvideo

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