Erstellt von Marcus Rönz | 23.04.2021
Springe zum gewünschten Bereich innerhalb dieser Seite: Startähnliche ThemenKommentare In diesem Beitrag bauen wir uns eine kleine Powerbank. Diese soll vollkommen autark arbeiten. D.h. die Akkus werden automatisch aufgeladen, sobald Sonnenlicht auf die Solarzelle fällt. Außerdem möchten wir das Ladeverfahren nicht überwachen.
Da es für alle Anwendungsfälle die entsprechenden Bauteile oder Schaltkreise gibt, bedienen wir uns für ein paar Euro aus dem Fertigteile-Baukasten.
Ziel:
- Powerbank muss klein und mobil sein
- LED zuschaltbar: die Powerbank wird zur Taschenlampe
- USB Ladeausgang: Smartphone kann geladen werden
- Solarzelle: diese läd die Akkus der Powerbank nach
- USB Ladeeingang: Schnelladefunktion der Powerbank
- Akkuspannung anzeigen
Powerbank selber bauen: Mit Solar und Licht
Selbst bauen lässt viel Spielraum für Individualität. Beispielsweise Solar, LED und einer Spannungsanzeige.
Spannungsanzeige der Powerbank
Wird der Schalter für den USB Ausgang eingeschaltet, wird die Akkuspannung sichtbar. So vergisst man auch nicht, die Powerbank wieder auszuschalten. Ebenfalls hilft dies vor Überladung oder Unterspannung.
Eckdaten: Bauteile und Dimensionen
Eine weiße LED benötigt ca. 3V. Ein AA-Akku besitzt ca. 1,2V - wir sollten also 3 Stück in Reihenschaltung nutzen (=3,6V). Alternativ wäre ein Lithium-Ionen Akku möglich, der auch ca 3,6V Nennspannung hat.
Der USB Ladeausgang für Smartphones sollte 5V leisten. Um Spannung hochzuregeln, gibt es sehr günstige kleine StepUp Wandler mit USB Buchse fertig zu kaufen.
Solarzellen haben je nach Lichtitensität unterschiedliche Leistung. Damit wir keine komplizierte Schaltung zum laden der Akkus nutzen müssen - und die Akkus nicht überladen, gibt es auch hier fertige Schaltkreise. Ideal sind diese für Lithium-Ionen Akkus, denn die Spannung wird zwischen 3,6V und 4,1V hochgeregelt bzw. begrenzt. Da ich Ni-MH (Nickel-Metallhydrid) AA Akkus nutze, entfällt bei mir ein extra Schaltkreis.
Lithium-Ionen oder NiMh AA Akku?
Die einfachen AA und AAA Akkus kennt wohl jeder. Diese haben ca. 1,2V. Ein Lithium-Ionen Akku hat hingegen dreimal so viel, also 3,6V. Wir benötigen also drei AA oder AAA Akkus, um auf die selbe Spannung zu kommen.Lithium-Ionen Akkus haben aber noch weitere Vorteile. Platzsparend, leicht, oft mehr Kapazität als NiMh Akkus. Aber auch einen entscheidenden Nachteil: Brandgefahr! Die Ladung muss peinlich genau überwacht werden und die Zellen werden ab einer bestimmten Unterschreitung der Spannung (z.b. ab unter 2,5V) beschädigt. Der vorgestellte Chip entläd bis 0,9V und daher sollte man selbst die Akkuspannung nicht unterschreiten - ich habe dafür ein kleines Voltmeter Display integriert.
Für Powerbanks, welche mobil in der Hosentasche mitgenommen werden können, sind Lithium-Akkus wohl die bessere Wahl. Ich entscheide mich jedoch für AA Akkus, da diese einfach robuster und nicht so heikel sind. Weiter unten zeige ich auch nochmal auf, warum AA Akkus meine Wahl bei der Solarzellen-Ladung sind.
Bauteile für unsere Powerbank
Gehen wir shoppen und besorgen wir uns die notwendigen Teile. Meine Powerbank hat rund 10 Euro gekostet. Für den Preis gibt es bereits fertige Produkte. Jedoch lassen die keine Modifizierungen zu und sind weder mit Solar, noch mit einer Lichtfunktion ausgestattet.Akku:
Zum einen benötigen wir einen oder mehrere Akkus. Eine Li-Ion Zelle kostet etwa 6 Euro. Ein AA Ni-MH Akku ca. 2 Euro (da wir 3 benötigen, ist der Preis etwa gleich). Ich nutze 6 AA Akkus, davon je 3 in Reihe, beide Akkupacks dann parallel geschaltet.
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5V USB Ausgang:
Um die Spannung von 3,6V auf 5V zu bekommen, benötigen wir einen kleinen Step-Up Wandler. Diese gibt es für unter 2 Euro und bereits mit USB Buchse.
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5V Micro-USB Eingang mit Li-Ion Ladeschaltung:
Ebenfalls gibt es ein Modul mit 5V Micro-USB Eingang, welche für Li-Ionen Ladung ausgelegt ist und bei ca 4,2V bzw bei unter z.b. 100 mAh Ladestrom abschaltet. Sehr schön sind 2 Kontroll-LEDs. Rot: wird geladen, Blau: vollständig aufgeladen. Verwende bitte die gesicherte Version dieses Schaltkreises, denn es gibt davon 2 Ausführungen. Natürlich gehen auch die vielen anderen Alternativen.
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Solarzelle:
Bei der Solarzelle können wir entweder eine mit höherer Spannung als der Akku ist nehmen und die Maximalspannung begrenzen. Ebenfalls fällt über die Diode noch 0,3V bis 0,7V (je nach Diodentyp) ab, die wir ebenfalls einbauen müssen, um bei Dunkelheit nicht die Solarzelle mit Strom zu versorgen.
Da wir die Pins neben den Micro-USB Eingang von der Li-Ion Ladeschaltung nehmen können, müssen wir die 5V peinlichst einhalten - neben der Solarzelle sollten wir also noch einen Festspannungsregler einbauen.
Ich empfehle eine Solarzelle mit höherer Spannung zu nutzen - da mit dem Festspannungsregler eh die Spannung begrenzt wird, erzeugen wir auch Ladestrom bei bewölktem Himmel und benötigen nicht zwingend Sonne.
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Nachteil dieses Systems nach einem Versuch: Der Schaltkreis benötigt schon einiges an mA der Solarzelle, damit der Ladevorgang gestartet wird. Möchte man die Größe der Powerbank gering halten, gibt es keine Solarmodule mit so viel Power.
Ich habe mich daher für ein 5V Solarpanel entschieden, welche direkt an die Akkus gekoppelt werden. Das geht jedoch nur bei Ni-MH (AA oder AAA) Akkus. Für Li-Ion Zellen muss die Spannung auf maximal 4,2V begrenzt werden.
Voltmeter Display:
Damit man hin und wieder die Spannung der Akkus checken kann, gibt es sehr kleine digitale Voltmeter. Meist für 1-2 Euro. Damit schont man die Akkus vor Überladung bzw. Unterspannung.
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Zu kompliziert?
Ist es dir zu kompliziert oder möchtest du das anders machen? Am Ende des Beitrages gibt es abschließende Worte mit einer effektiveren Alternative ohne komplexe Schaltkreise. Du kannst natürlich auch eine fertige Powerbank kaufen, wo du nicht testen und messen oder gar basteln musst.
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Akku Theorie: AA und Li-Ion
AA Akkus: Ladeschlussspannungen, Minimalspannungen, Selbstentladung und Ladezyklen:Für Standart wiederaufladbare AA-Akkus (Sekundärzelle) gelten:
- Nennspannung: 1,2V
- Ladeschlussspannung: 1,42V
- Minimalspannung: 0,9
- Selbstentladung: >15% pro Jahr
- Ladezyklen: 500-1000
- Nennspannung: 3,6V
- Ladeschlussspannung: <=4,3V
- Minimalspannung: 2,5
- Selbstentladung: >30% pro Jahr
- Ladezyklen: 1000-2000
Bauanleitung: So bauen wir uns unsere eigene Powerbank
Innenleben der Powerbank
Die Bauteile sollten sinnvoll und platzsparend angelegt werden. Zudem muss ausreichend Platz für Kabel und Luft sein.
Rohbau: Das Gehäuse wird aus Holz gebaut
Holz lässt sich gut bearbeiten. In meinem Fall verwende ich Buche, da es stabil ist und die Holzfasern recht kurz - somit gibt es keine Franzen.
Du kannst entweder etwas Fertiges nehmen. Bspw. gibt es fertige Plastikgehäuse in all möglichen Größen zu kaufen. Oder du baust es nach deinem Maß selbst.
Ich habe mich wieder für Holz entschieden. Nicht nur das es toll und einfach bearbeitet werden kann - sondern es sieht einfach nach etwas Besonderem aus.
Als Grundmaß habe ich die Solarzelle genommen und geschaut, ob alle Teile wie Platinen und Akkus ebenfalls auf dieser Größe untergebracht werden können.
Gefertigt habe ich das ganze dann aus haltbaren 4mm dicken und 20mm hohen Buchenholzstäbchen. Da meine Powerbank recht hoch wird, habe ich zwei solcher Buchenholzstäbe mit Holzleim zusammengeleimt.
Beachte bitte, dass du genügend Platz für die Kabel lässt. Ebenfalls solltest du alle Ausschnitte für USB-Anschlüsse, Schalter und LED vor dem Verleimen bohren / sägen. Hier nun meine Einzelteile und das fertige Gehäuse.
Powerbank: Bauteile bestücken
Ist das Gehäuse gebaut und alle erforderlichen Öffnungen ausgesägt, können die Bauteile rein. Vorsicht bei Heißleim, da dieser in der Sonne wieder weich wird. Und Sonne ist eben perfekt für die Solar-Powerbank ;).
2. Platinen und Akkus einsetzen und verlöten
Ist der Platz für alle Bauteile gefunden, bestücken wir das Gehäuse. Wichtig ist genügend Luft zu lassen, da sich alle Bauteile auch erwärmen können. Vor allem die Platine des Ladeeinganges wird zwischen 30 und 50 Grad heiß. Du könntest hier auch kleine Kühlkörper anbringen oder Löcher ins Gehäuse bohren. Bei mir sind zwei Löcher zur Zirkulation gebohrt.
Simples Akkupack selber bauen
Drei AA-Akkus in Reihe ergeben 3,6V. Ladeschlussspannung für dieses Akkupack 4,2V.
Akkupack aus AA Akkus selbst gebaut
Je 3 in Reihe, beide Packs parallel. Es bleiben 3,6V, die Kapazität verdoppelt sich hingegen.
Solar-Powerbank Schaltplan
Zur Ladung von drei in Reihe geschaltete AA/AAA Akku oder 3,7V Li-Ion Akku per Solar.
Optional kann die LED mit Schalter an der Batterie angeschlossen werden. Ebenso kann am Li-Ion Lader neben der Solarzelle auch einen USB Lader angeschlossen werden.
Schalter sind immer gut. Diese trennen die Stromkreise und sind ein wichtiges Sicherheitselement. Mit einem Schalter trenne ich den USB-Ausgang. Daran ist auch das Voltmeter geschaltet, um wärend des Ladevorgangs des externen Gerätes die Akkuspannung einfacher überwachen zu können. Wenn das Voltmeter an ist, ist auch der USB-Ausgang an. In dessen Schaltkreis ist eine LED die Strom verbraucht. So vergisst man nach dem Ladevorgang nicht, den Schalter wieder auf Aus zu stellen.
Etwas über die Effizienz des Systems und abschließende Worte
Zugegeben, schlechter geht es kaum. Da unsere Smartphones einen 3,7V Lithium Akku haben und der USB Standard bei 5V liegt, ergeben sich hier natürlich Verluste. Ich habe an einigen Stellen nachgemessen und auch gerechnet.So gibt es beim Aufladen der Powerbank über den 5V Eingang zur Lithium-Zelle ca. 20% Verlust. Das Smartphone wird durch den 5V USB Ausgang geladen, der von 3,7V auf 5V hochstellen muss - hier gibt es wieder ca. 20% Verlust. Und das Smartphone macht wiederrum aus den 5V die benötigten 3,7V für den integrierten Akku. Zusammengerechnet ergibt sich die Effizienz von lausigen 40%. Dazu kommen eigentlich noch ein paar Prozent Verlust von Steckdose bis zur Powerbank über das Netzteil (bei echten Schaltnetzteilen geringe Verluste).
Es macht also wenig Sinn das Smartphone oft über die Powerbank zu laden - diese ist eher ein Notspeicher für unterwegs.
Durch die Solartechnik können wir jedoch die Kosten reduzieren, wenn das System auch öfters genutzt wird. Wird die Powerbank nur 1-2 mal im Monat genutzt, rechnet sich die Solarzelle erst recht nicht. Ich lade neben dem Smartphone auch mein kleines Mini-Radio in der Werkstatt, sowie viele andere kleine Geräte wie die Smartwatch. Der Strom für die Powerbank gibt es aus der Solaranlage im Garten. So macht das ganze auch, meiner Meinung nach, etwas mehr Sinn.
Wenn wir die Effizienz steigern möchten, sollten wir beim Speichern des Stroms mit der Spannung möglichst nah an die Ein- und Ausgangsspannung kommen. D.h. 5V. Hier wären also vier AA Akkus (4x1,2V = 5V) wohl effizienter als eine 3,7V Li-Ionen Zelle. Auch könnte man sich komplizierte Elektronik sparen, indem einfach mit Festspannungsregler gearbeitet wird. Dazu werde ich noch einen Versuchsaufbau machen und bei Interesse ggf. einen Beitrag erstellen.
Meine Mini-Solaranlage nutzt zwei 6V Blei-Akkus (parallel), auch hier sind die Verluste recht gering und die Anlage selbst ist unkompliziert und läuft seit längerer Zeit sehr zuverlässig. Minimiert man komplizierte Teile, hat man etwas Tolles und langlebiges - das sollte wohl auch das Ziel sein.
Du kannst mir per E-Mail (siehe dazu ganz unten ins Impressum) gern ein paar Bilder und Daten deiner selbstgebauten Powerbank zusenden. Habe ich einiges an Material, kann ich daraus einen Artikel erstellen und so auch deine Powerbank den anderen Lesern und Bastlern vorstellen. Übrigens gilt dies auch für andere Selbstbau-Projekte.
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