Liebe Mitbastler,
ich hoffe, Ihr seid nicht enttäuscht, es wird in diesem Beitrag mehr um Elektr(on)ik als um den eigentlichen Modellbau gehen. Aber es muss sein.
Was ist denn das Problem?
Als Energiequelle für die ganzen LEDs möchte ich gern SuperCaps verwenden. Ich hasse es, wenn ich, Triebwerksgeräusche imitierend, durch die Bude flitze und dabei laufend über das Stromkabel hinschlage. Im Ernst: ich will kein Kabel dran haben, wenn's leuchten soll. Daher also ein interner Energiespeicher. Akkus scheiden für mich aus, da die gängigen NiMH- oder Li-Typen nur eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen mitmachen und ein Wechseln im Modell (bspw. durch zusätzliche Klappen oder Deckel) nicht in Frage kommt. Also SuperCaps.
Grundsätzlich habe ich sie
hier schon einmal nebst Ladegerät, das ich auch hier verwenden werde, vorgestellt.
In die SR-71 passen 2 von diesen SuperCaps (50F, 3V), die ich für den Betrieb mit je 2,5V laden werde.
Zu überlegen ist nun, ob man die beiden SuperCaps besser in Reihen- oder Parallelschaltung einsetzt und welche Schaltung man am besten nutzt, um aus einer variablen SuperCap-Spannung (0V..5V) eine konstante von 3,3V (für die Flacker-LEDs, die anderen "Dauerstrich"-LEDs kann man dann mit richtig gewähltem Vorwiderstand einfach dranhängen) zu machen.
Schlechte Lösungen
- Reihenschaltung und Widerstand: Keine konstante Ausgangsspannung erreichbar; kann nur den Teil der SuperCap-Ladung nutzen, bei dem die Spannung über der Ausgangsspannung liegt (5V..3,3V; nutzbar ist damit nur 12% der in den SuperCaps gespeicherten Energie); Widerstand "verbrät" den nicht benötigten Teil der Leistung
- Reihenschaltung und 3-Bein-Spannungsregler: Konstante Ausgangsspannung; kann nur den Teil der SuperCap-Ladung nutzen, bei dem die Spannung über der Ausgangsspannung plus Drop-Out-Spannung (Mindestspannung über Ein- und Ausgang des Reglers, die er braucht, um zu arbeiten; typisch 1,5V, kann mit speziellen ICs aber auch unter 1V liegen) liegt (5V..3,3V+x; nutzbar sind weniger als 12% der in den SuperCaps gespeicherten Energie); Regler "verbrät" den nicht benötigten Teil der Leistung
- Reihenschaltung und Step-Down ("Buck")-Regler oder Parallelschaltung mit Step-Up ("Boost")-Regler: Konstante Ausgangsspannung; Eingangsspannung muss 4V oder mehr betragen (daher würde die Boost-Variante mit parallel geschalteten SuperCaps erst gar nicht funktionieren); nutzbarer Spannungsbereich daher 5V..4V, das ist nur 4% der Energie der SuperCaps! Hinzu kommt, dass ideale Step-Regler Eingangsleistung zu 100% in Ausgangsleistung wandeln, reale aber auch selbst etwas brauchen, um arbeiten zu können. Bei diesem hier
habe ich 6,6mA Eingangsstrom gemessen (Eingangsspannung 5V, Ausgangsspannung 3,3V, Ausgangsstrom 0mA), die Schaltung hat also 5V * 6,6mA = 33mW "gefressen". Wenn man nun nicht 0mA am Ausgang zieht, sondern 1A (d.h. 3,3V * 1A = 3,3W), ist das nicht tragisch, der Wandler hat dann eine Effizienz von 3,3W/(3,3W + 33mW) = 99,0% - nicht schlecht! Bei 10mA (3,3V * 10mA = 33mW) sähe das schon anders aus: 33mW/(33mW + 33mW) = 50,0%! Von wegen, Schaltregler sind immer die beste Wahl! Es kommt auch auf die Einsatzbedingungen an. Um es zusammenzufassen: wenn ich mit diesem Regler bei 5V Eingangsspannung eine LED mit 3,3V und 10mA versorge, kommen von der gesamten in den beiden SuperCaps gespeicherten Energie gerade einmal 4% * 50% = 2% bei der LED an! Alles andere als ideal also.
Was nun?
Vor einiger Zeit ist mir der sogenannte "Solar-Boost-Converter SBC 300" über den Weg gelaufen:
Es ist ein, wie zu sehen, kleiner Baustein, der für kleine Leistungen optimiert wurde, mit Eingangsspannungen von 0,3V (gemessen: 0,5V) bis 5,5V zurecht kommt, bis zu 300mA liefern kann und selbst erkennt, wann er vom Spannungs-Heruntersetzmodus in den -Heraufsetzmodus umschalten muss. Einzige Herausforderung ist, dass, falls eine andere Ausgangsspannung als 5V gwünscht ist, man einen SMD-Widerstand tauschen muss (s. R3 auf dem Bild). Ein SMD-Einstellregler war den Entwicklern offenbar zu teuer... Naja, kann man machen.
Für meinen geplanten Einsatzfall bleibt die Frage: Ist die Reihen- oder Parallelschaltung beider SuperCaps besser, d.h. führt zu längeren Leuchtzeiten?
Die nutzbare SuperCap-Energie sieht so aus:
Reihenschaltung: 5V..0,5V => 81,0%
Parallelschaltung: 2,5..0,5V => 64,0%
Das sieht nach einem Punkt für die Reihenschaltung aus. ABER: So lange die Eingangsspannung bei der Reihenschaltung über der Ausgangsspannung liegt, läuft der Schaltkreis in einem sog. "Down Conversion mode". Was das genau bedeutet, darüber schweigt sich das Datenblatt des hier verbauten ICs TPS61200 aus. Ich vermute, der Schaltkreis macht sowas wie die o.g. 3-Bein-Regler und "verbrät" die nicht benötigte Leistung, so sieht jedenfalls auch die Kennlinie aus, die ich aufgenommen habe. Da das alles etwas nebulös ist, ich aber eine Entscheidung haben will, hilft nur noch eins: ein Experiment mit den vorbereiteten LEDs des Modells. Dazu verwende ich aber nicht die 50F-SuperCaps, sondern 2 mit 10F, es würde sonst einfach zu lange dauern. Übrigens bietet das SBC 300-Modul noch eine Power Save-Funktion an (anwählbar über einen Jumper, aus: 1-2, an: 2-3), mal sehen, ob das noch was zusätzlich bringt. Hier nun die gemessenen Leuchtzeiten:
1) Reihenschaltung, Jumper 1-2: 2min 22,40s
2) Reihenschaltung, Jumper 2-3: 2min 10,79s
3) Parallelschaltung, Jumper 1-2: 2min 38,46s
4) Parallelschaltung, Jumper 2-3: 2min 12,92s
Damit ist die Entscheidung gefallen. Bleibt mir nur anzumerken, dass ins Modell ja die 5x "größeren" SuperCaps kommen und die Leuchtzeiten dann im Modell bei etwa dem 5-fachen Wert liegen dürften.
So, ich hoffe, dass das nicht zu trocken war und der eine oder die andere diese Erkenntnisse für eigene Projekte nutzen kann. Wenn etwas unklar geblieben ist, fragt einfach nach.
Und in den nächsten Beiträgen wird es wieder um Modellbau gehen, versprochen!