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Als wir in die neue Weide eingezogen sind, hat uns die ehemalige Pächterin ihr Leid über die Solaranlage erzählt. Allerdings würde die Anlage nun (nach einem Umbau) ausreichend Energie liefern um die Stallbeleuchtung zu betreiben. Wir hatten allerdings vor, sowohl den Elektrozaun, als auch die Wasserpumpe und diverse andere Lichtquellen zu betreiben.

Wir haben folgende Verbraucher:

  • Licht: 106W (mit Schaltern separat schaltbar)
  • Wasserpumpe: 38W
  • Weidezaungerät: 0,5..4,2W

Damit rechne ich mit einem täglichen Energiebedarf von ca. 38..130Wh je nach Bewuchs am Elektrozaun, im Winter gegebenenfalls durch das Licht auch mehr.

Aus dem Grund habe ich gleich am Anfang angeregt, die Solaranlage zu verbessern.

Heute habe ich das DJI Mavic Car Charger Ladegerät das erste mal benutzen wollen. Wie der Name schon sagt, sollte das Ladegerät mit 12V (laut Anleitung von DJI ab 12,3V) den Akku eines Mavic-Quadrokopters laden.

Verkaufspreis: 55 EUR. Soweit die Theorie...

Zurück zu meiner heutigen Erfahrung

Ich habe heute mein neu erworbenes Ladegerät an eine 12V-Autobatterie gehängt. Die Klemmspannung war 12,6V. Nach einer halben Stunde hatte ich mich gewundert, dass die LED im Ladegerät blinkt und der Akku sich ebenfalls sehr seltsam benahm. Normalerweise sind die Lade-LED beim Laden animiert. Nun zeigten sie nur zwei Punkte an, und die blieben auch an, wenn man den Akku absteckte.

Der Knoten ist absichtlich :-) der zeigt symbolisch, das hier der Wurm drin ist.

Ich habe nochmals alles überprüft und keinen Fehler gefunden. Dann bin ich ins Internet gegangen, und habe dort in Foren Kunden gefunden, die genau das gleiche Problem haben. Dort steht auch, dass das 12V-KFZ-Ladegerät erst bei 13V funktioniert. Man muss also mit dem Akku durch die Gegend fahren, damit das Ladegerät funktioniert. Bei abgestelltem Motor sinkt die Spannung des KFZ unter die Funktionsspannung des Ladegeräts. Was für eine Blamage! Ein sauber konstruiertes Ladegerät sollte eigentlich ab 11,5V an laden - und das ist nicht so schwer zu realisieren.

Bei genauer Sichtung des Geräts (Aufkleber) ist auch ersichtlich, dass der Fail vermutlich noch größer ist:

Nach dem Aufdruck kann man die DJI Mavic nur mit einem fahrenden PKW (Klemmenspannung ca. 14..14,4V) oder einen kurz vorher abgestellten LKW laden. Bei einem laufenden LKW dürfte die Bordspannung sich im Bereich von 28V bewegen, was wiederum zu viel ist. Mein Tipp: Mit einem 6s-Modellbauakku das Ladegerät betreiben. Das ist zwar bescheuert, aber das müsste gehen. Allerdings wird, da dann das Ladegerät erst bei 12V den Dienst einstellt, der Modellakku bald tiefentladener Schrott sein.

Ein weiterer Kritikpunkt soll ebenfalls nicht verschwiegen werden: Zum Betrieb der Mavic müssen 3 Akkus geladen sein:

  • Flugakku
  • Senderakku
  • Handyakku

Das 220V Ladegerät von DJI hat das richtig gemacht. Hier findet sich neben dem Spezialstecker für den Fugakku zwei USB-Anschlüsse zum Laden des Senders und des Handys.

Beim KFZ-Ladegerät kann nur der Flugakku unter den oben beschriebenen Einschränkungen geladen werden - Der Senderakku und der Handyakku haben keine Lademöglichkeit. Da die DJI-App (DJI go 4) auch bei Nichtbenutzung die Laufzeit meines Handys auf ca. 8 Stunden (standby!!!) reduziert und durch die App mein Handy auch im Standby warm wird, wäre eine Nachladefähigkeit durchaus wünschenswert. Zu dem Problem mit der App werde ich später noch etwas schreiben.

Ich habe bei meinem Verkäufer gleich einmal reklamiert - mal sehen was da raus kommt.

 

Für Einzel-LEDs und kleine Verbünde habe ich ja schon eine Lösung vorgestellt (Widerstand ist thermisch zwecklos) ), bei der eine Akkuspannung bis 6s ohne Vorwiderstand heruntertransformiert werden kann, um LEDs und LED-Verbünde mit kleinerer Spannung zu betreiben.

Nun gibt es aber seit geraumer Zeit LED-Cluster, die mit relativ hoher Spannung arbeiten (40V) und für kleines Geld viel Licht machen.

Die hohe Spannung erfordert aber einen sogenannten Step-Up-Wandler (Boost), der aus einer z.B. 3s-Akkuspannung in die erforderliche Höhe von 40V bringt. Um die Platine nicht unnötig schwer und groß zu machen, habe ich verschiedene Boards für verschiedene Leistungs- und Stromklassen entworfen.

Hier die erste Schaltung für kleinere LED-Cluster. Die Schaltung arbeitet ab 3V und kann offiziell bis 38V daraus erzeugen. Erste Tests haben gezeigt, das auch etwas höhere Spannungen mit dem Booster möglich sind. Bei 3s sind LEDs mit 38V und 100mA überhaupt kein Problem. Die Schaltung bleibt kühl und die LED kann über einen gesonderten Pin mit der Else (Elektronische Licht Steuer Einheit) geschaltet werden. Damit kann dann beispielsweise ein ACL realisiert werden.

Die Schaltung kann sowohl als Konstant-Spannungs- als auch Konstant-Stromquelle betrieben werden. Letzteres ist wieder besonders klug, wenn man LEDs als Last hat.

Als IC kommt in der Schaltung der TPS61170 von Texas Instrubments zum Einsatz. Hier der Schaltplan (zweite, verbesserte Version). Der rechte Teil der Schaltung ist ganz witzig, denn hier wird die Stromregelung realisiert. Das klingt erst einmal lapidar, ist es aber nicht. Der TPS61170 kennt nur Spannugsregelung, d.h. es gibt einen FB-Pin, an dem der Schaltregler immer versucht, 1,23V einzustellen. Für eine Spannungsregelung ist das in Ordnung, aber was passiert, wenn man über diesen Spannungsabfall eine Stromregelung zu machen? Richtig! am Widerstand müssen 1,23V abfallen, und das z.B. bei 100mA. Damit verbrät dann die Schaltung unnötig Strom.

Die hier vorgestellte Schaltung habe ich aus einer Application-Note entnommen. Sie funktioniert über einen Stromspiegel. Der Spannungsabfall wird Higside am R8 realisiert und darf deutlich kleiner ausfallen. Der zweite Teil des Stromspiegels transformiert die Steuerspannung von der Highside auf die Lowside und verstärkt den Spannungsabfall der am R8 aufgetrten ist verlustleistungsschonend, der FB-Pin des Spannungsreglers bekommt das, was er verlangt.

Ein erster Entwurf wurde im Dezember 2016 von mit an EasyEda geschickt und kam prompt Anfang Januar als leere Platine zurück. Die Qualität war sehr gut. Die Leiterplatte habe ich als Doppelseitig mit 0,6mm Dicke und Goldoberfläche bestellt. Leider habe ich damals versäumt, gleich eine Schablone für Reflow-Bestückung mit zu bestellen. Im Folgenden ist die Version 1 zu sehen.

Hier ist das neue, verbesserte Layout zu sehen.

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Verblüffend ist, dass der Schaltregler es tatsächlich schafft, die Verlustleistung über eine doppelseitige 35um-Leiterplatte weg zu bekommen. Die Schaltung ist so konstruiert, dass auch kleinere Induktivitäten benutzt werden können. In dem Fall kann die Platinie nochmals gekürzt werden. Links wird die Akkuspannung eingespeist. Der Top-Bereich trägt den Schaltregler und alle Bauelemente, die für die Spannungsstabilisierung nötig sind.

Die Unterseite trägt die Bauteile für die Stromstabilisierung. Damit kann die Schaltung auch gefahrloser modifiziert werden.

Die Kombination von Top und Bottom ergibt eine satte Lage von Masse, auf die auch die Wärme abgeführt werden kann.

Für Nachbauer habe ich hier die EAGLE-Unterlagen hinterlegt.

Hier das zip-File: (StepUp1b.zip)

Das löten mit der Hand gestaltete sich dann doch schwieriger als erwartet. Der Schaltregler hat als Abmessungen 2mm x 2mm. Die Pads sind unter dem Chip und der Chip selbst hat ein Bauchpad. Für Reflow wäre das nun kein Problem, aber ohne Maske blieb mir nur die Handlötung. Nach 4 Fehlversuchen habe ich entnervt die Leiterplatte von unten mit einem Heißlufföhn angeblasen (450°C) und oben mit der Pinzette das IC platziert, d.h. so lange hin und her geschoben, bis die Kurzschüsse weg waren und anschließend die Schaltung funktioierte.

Der Lötkleks rechts ist kein Versehen, er ist die Lötung des Bauchpads. Der Lötkolben macht das Kupfer heiß, durch das Via habe ich dann etwas Lötzinn gegeben.

Hier die fertige Schaltung in der Version 1 beim Test.

Hier noch einmal ein Foto mit Lineal.

 

Der MCP3903 ist ein ganz besonderer Analog/Digitalwandler. Er enthält neben sechs 24Bit Wandlern auch noch den Oszillator und eine passende Referenz. Zudem ist der Baustein recht flott unterwegs und hat ein SPI-Interface mit 10MHz Geschwindigkeit. Die Wandlung erfolgt auf den Kanälen synchron, d.h. das Phasenverhältnis zwischen den Signalen bleibt erhalten.

All diese Eigenschaften weckten mein Interesse. Das Ding musste her. Reichelt verkauft den Chip für 3,6EUR (Stand 2016). Eine passende Platine war auch gleich gefunden: RE931-05, eine Platine, die als Adapter zwischen SSOP28 Chips und 2,54mm Pfostenreihen fungiert. Ziel des Versuchs war, den Chip möglichst einfach an einen Arduino zu bringen. Da der MCP3903 zwei Spannungen benötigt (5V für Analogteil, 3,3V für den Digitalteil) und das Interface mit 3,3V läuft, war der Passende Kandidat schnell gefunden: Ein Arduino Due hat beide Spannugen, arbeitet nativ mit 3,3V Signalen und ist mit 84MHz und ARM auch ordentlich schnell unterwegs.

Um den Hardware-Aufwand klein zu halten, habe ich auf das Adapterboard nicht nur den Wandler, sondern auch noch ein paar Bauteile gelötet. Für gute Signale habe ich die Rückseite großflächig mit Kupferfolie beklebt.

Hier die fertige Platine:

Statt einem Quarz für den Taktgenerator habe ich einen Resonator (4MHz) von Murrata benutzt. Dieser kann direkt, ohne Lastkondensatoren an die Pins gebracht werden.

Nach Datenblatt benötigt die Referenzspannung einen Tantalkondensator. Den hatte ich nicht zu Hause, und benutzte dafür einen 100uF 6,3V Keramikkondensator parallel zu einem 100nF 0402 Keramikkondensator. Auf diese Weise schaffte ich es, das alle nötigen Komponenten auf der Universal-Adapterplatte Platz fanden.

 

Hier die Unterseite mit der analogen Masse:

Für den Software-Teil habe ich auf einer vorhandenen Library von Kerry Wong aufgebaut  (http://www.kerrywong.com/2014/05/10/mcp3903-library).
Die Library ist nach Kerry unter der Lizenz FreeBSD/Apache frei. Ich habe die Library erweitert.

 

Hier der Code für den Arduino und die zugehörige Librarie: (MCP3903.zip)

Das ganze Projekt ist wie immer CC-BY-SA (Lizenz Common Creatives, d.h. frei bei Namensnennung/-erhalt).

 

Bei der Adaptierung/Verkabelung zwischen Arduino und MCP3903-Platine können zeitsparend IDT-Crimpverbinder benutzt werden. Damit werden zwei 14pol IDT-Verbinder einfach mit einem Schraubstock mit zwei Flachbandkabel 14polig verpresst. Auf der anderen Seite müssen dann doch die Kabel mit normalen Steckverbindern verlötet werden.

Links unten sind die Versorgungsspannungen zu sehen. Rechts neben dem Prozessor ist der SPI-Anschluss. Auf der rechten, doppelreihigen Leiste findet sich der Slave Select-Anschluss für das SPI-Interface und die drei Interrupt-Leitungen der ADC-Wandlung.

Der rechte Anschlussblock ist für die analogen Signale vorgesehen.

Der MCP3903 misst die Spannungen übrigens differentiell in einem Bereich von -0,5V...0,5V. Andere Spannungen benötigen Spannungsteilen.