DSO PM3323

Ich habe ein  PM3323 Digital Storage Oscilloscope bekommen welches 1990 wohl eines der besten von Philips war. 

Die Eckdaten sind: 2Kanäle, 300MHz, 500 MS/s, 10bit vertikale Auflösung. Das kann sich auch für heutige Verhältnisse sehen lassen. Ein großer Nachteil ist leider die Größe mit HxBxT 18x42x57. Ein so tiefes Gerät bekomme ich kaum unter an meinem Bastelarbeitsplatz.

Leider war es defekt, auf beiden Kanälen nur Rauschen und starkes undefiniertes Schwingen.

Nach einer Recherche im Internet fand ich das ein Hauptproblem defekte SMD-Elkos sein sollen. Nachdem ich ein Service Manual für das PM3323 besorgt habe schwante mir nichts Gutes. Sooo viel Elektronik… da dauert die Fehlersuche bestimmt ewig wenn’s nicht bloß die Elkos sind. Also habe ich mal mit den Elkos angefangen und eine Überraschung erlebt. Alle SMD-Elkos 10u/16V waren total hin. Teilweise ausgelaufen und Kapazität fast immer 0%. Die mussten alle raus was immerhin so etwa 45 Stück waren.

gut zu erkennen die kleinen silbernen SMD-Elko’s

Dann habe ich auch die normalen axialen Elkos überprüft und da stellte sich heraus, dass alle im Bereich von 10u bis 220u und Spannungen kleiner 100V ausgewechselt werden mussten! Die hatten oft schreckliche ESR (>5Ohm) und Kapazitäten von nur noch 10% - 50%. Auch der Versuch die wieder zu formieren brachte nichts. Das waren noch mal so geschätzte 120 Elkos. Ohne Ausnahme alle aus Philips eigener Produktion. So was hatte ich nicht erwartet. Vor 25 Jahren hätte ich gerne meine Frolyt Elkos gegen ach so tolle Philips eingetauscht – jetzt sehe ich das anders.  

auf allen Leiterplatten verstreut blaue axiale Elkos...

die mussten fast alle ausgewechselt werden

Erstaunlicherweise waren die großen Elkos im Netzteil mit mehr als 220u und einige kleinere die 6,8u/100V hatten aber noch top fit und auch die verbauten Tantal Elkos scheinen alle ok.

die großen Netzteil-Elkos waren noch ok

Nach der mehrere Tage dauernden Tauschorgie (bei manchen von den 30 Leiterplatten dauert das aus- und einbauen schon 30min) lief das Teil wieder.

Alles Schrott …

Hura da war keine echte Fehlersuche nötig und abzugleichen gab es auch nicht viel, da alles noch im Großen und Ganzen kalibriert war.

Was noch nervte war der recht laute Lüfter den habe ich durch einen ersetzt der deutlich leiser den gleichen Luftstrom erzeugt.

TY3150 LCD-Spannungsanzeige

preiswertes Spannungsanzeige Modul

Ich habe mir für meine 12V Solaranlage im Garten ein LCD Voltmeter für 7,5V - 20V im Internet gekauft weil es so schön preiswert war.

Nach ein paar Tests muss ich sagen das es wirklich ein super Preis/Leistungsverhältnis hat denn es tut alles zur vollsten Zufriedenheit mit der notwendigen Genauigkeit die man für 3,50- € erwarten kann (meins war auf 0,2V genau geeicht). Also ich kann nicht meckern was aber nicht bedeutet das man da noch was dran verbessern kann ;-)

Da leider der eingesetzte IC nicht ermittelt werden kann hat man auch kein Datenblatt. Aber wenn man sich die Schaltung etwas genauer ansieht begreift man schnell was so noch möglich ist.

original Bestückung

Das Modul bezieht über die Diode (D1) und einen Spannungsregler 78M05 seine Versorgungsspannung. Das lässt die Vermutung nahe liegen dass 5V als Versorgungsspannung für den IC immer notwendig sind. Und tatsächlich wenn man die Diode auslötet und direkt +7V an den 78M05 legt dann kann das Modul Spannungen von 0- 20V anzeigen und erkennt sogar die Polarität d.h. -20V bis + 20V werden korrekt angezeigt.

Also wer so was braucht kann ganz leicht durch Zuführung einer extra Versorgungsspannung von +5V oder wenn man über den Spannungsregler gehen will von mind. +6,5V ein LCD Voltmeter mit einem Range von -19,99V bis + 19,99V bekommen. Für mich war das nicht interessant da ich nur meinen Solarakku von 12V überwachen will. Mir war aber schon wichtig etwas tiefer als 7,5V zu messen und das geht so: man ersetzt den 78M05 welcher A.) einen Dropout von etwa 1,2V hat und B.) auch noch einen recht hohen Eigenstromverbrauch von 4mA durch einen LowDropout Regler mit geringem Eigenstrombedarf. Da gibt es viele verschiedene, je nachdem was man so in altem Computerschrott findet. Ich benutze einen LP2951 der so etwa 0,1mA Eigenstrombedarf und 0,1V Dropout Spannung hat. Nach dem Austausch des 78m05 konnte ich schon bis 6V herunter messen. Dann fiel mir noch auf das die Verpolungsschutzdiode D1 eine normale Si-Diode mit etwa 0,6V Flussspannung war. Die kann man natürlich auch durch eine nahezu beliebige Schottky Diode ersetzen mit Sperrspannung größer 20V welche dann nur noch etwa 0,2V Flussspannung hat.    

Damit ereiche ich eine sichere untere Messgrenze von 5,5V.

Wenn das Modul nicht exakt genug arbeitet kann man über VR1 die Verstärkung einstellen also man legt 10V an und stellt mit VR1 10V in der Anzeige ein. Dann überprüft man noch mal ob jetzt alles bei angelegten 7,5V und 19V stimmt. Sollte das nicht der Fall sein kann man auch noch den Nullpunkt mit VR2 abgleichen. Das geht aber nur wenn man D1 auslötet und das Modul extern mit Spannung versorgt wie oben beschrieben. Dann schließt man den Messeingang kurz und stellt mit VR2 genau 0 in der Anzeige ein. Anschließend unbedingt noch mal mit VR1 die Verstärkung abgleichen. Wunder bzgl. Genauigkeit darf man natürlich nicht erwarten aber 0,3 V Genauigkeit sollten schon drin sein.

geändertes Modul mit Messbereich von 5,5V – 19,99V und einer Stromaufnahme von 1,2mA mit Licht

Was ich aber auch noch ändern wollte war die relativ hohe Stromaufnahme des Moduls von fast 9mA einerseits durch den 78M05 verursacht und andererseits durch die schöne blaue LED-Hintergrundbeleuchtung welche auch noch mal 5mA verbraucht. 9mA sind für einen kleinen Akku (z.B. 7Ah) doch schon eine beachtliche Belastung… der ist nach 32 Tagen leer ( 0,009Ah * 24h * 32Tage  =  6,912Ah). Die verwendete LED ist ein Low-Power Typ der auch bei 0,5mA noch ausreichend hell leuchtet. Da braucht man nur den Vorwiderstand (R5) der LED von 510Ohm auf 3 bis 6KOhm zu erhöhen. Ich habe 5,6KOhm genommen und liege damit bei 0,5mA und zusätzlich noch einen Miniaturschalter eingebaut so dass man das Licht auch ganz abschalten kann. Der IC selber braucht etwa 0,4mA. Jetzt zieht mein Modul mit Licht 1mA und ohne nur 0,5mA. Da kann es permanent am Bleiakku hängen sogar mit Beleuchtung an.

Das Modul wurde noch in eine kleine Plastikschachtel eingebaut damit es in meinem Gartenkeller nicht zu sehr verstaubt. Vorher musste ich noch den Steckkontakt durch eine kleinere Variante ersetzen sonst hätte es nicht in die Schachtel gepasst.

Nachtrag: leider scheint das Modul recht temperaturempfindlich zu sein... d.h. bei einer Umgebungstemp. von 12C misst es 0,2V weniger im Vergleich zu 22C. das ist doch recht viel für nur 10Grad Temperaturdifferenz. Also Vorsicht wenn man das Modul bei größeren Schwankungen der Umgebungstemperatur einsetzen will. 

 

Solar Power Meter

Leistungsanzeige für solarbetriebene Heizung

Ziel war es für den Gartennachbar eine Leistungsanzeige für seine solarbetriebene Heizung zu bauen. Das ganze mit möglichst wenig Aufwand und auch nur zur Grobabschätzung der Solar-/Heizleistung. 3 LED sollten da reichen eine geht an bei 500W die nächste bei 1000W und die dritte bei 1600W. Betreiben wird die Widerstands-Heizung (hat 1800W bei 240V entspricht das einem Ri= 31,3Ohm) durch 8 Solarpanele in Reihe mit je Ipm= 7,67A / Vpm=30V / Vleer = 36,8V. Da hat man also mit maximal 8A und 300V am Heizelement zu rechnen. Das ist alles mit Vorsicht zu genießen, da es sich um Gleichspannung handelt und diese deutlich gefährlicher als Wechselspannung im handling ist. Den Abrissfunke z.B. kann man bei 300V locker auf ein paar cm ziehen… da versagt jeder normale Schalter.

Um jetzt eine Schaltung zu entwerfen muss man nur daran denken dass der Widerstand der Heizung als nahezu konstant angesehen werden kann und damit durch Auswertung der an der Heizung anligenden Spannung die Leistung ableitbar ist P= U*U / R. Also 125V -> 500W; 177V -> 1000W; 224V -> 1600W.

Es wurde eine Schaltung basieren auf dem TL 431 aufgebaut welcher eine Art einstellbare Z-Diode darstellt. Damit kann man sehr schön die einzelnen Spannungen einstellen welche den jeweiligen Wattzahlen entsprechen. Den 431 bekommt man fast aus jedem Schaltnetzteil ausgeschlachtet. Es gibt sehr viele verschiedene Bezeichnungen (je nach Hersteller) aber 431 kommt im Namen immer vor.

wie man sieht wurde das Ganze 3-mal aufgebaut da es 3 Heizungen mit je 8 Solarpanelen gibt

Ein Problem ergab sich noch bei der Spannungsversorgung des Powermeter selber. Natürlich sollte es kein eigenes Netzteil haben sondern mit aus den Solarzellen gespeist werden. Das ganze braucht so etwa 8V und 100mA die bekommt man aber nicht so leicht aus 300V Gleichspannung. Also musste ein normales 230V Schaltnetzteil herhalten welches letztlich auch nichts anderes macht als die 230V Wechselspannung erst mal gleichzurichten und dann aus den über 300V Gleichspannung eine 100-300KHz Wechselspannung zu generieren welche dann runter transformiert wird und wieder gleichgerichtet wird so das man letztlich seine gewünschte Niederspannung erhält. Also mal geschaut was an Handynetzteilen etc. so da war und wie weit runter man mit der Eingangsspannung gehen kann. Es war sehr erstaunlich dass fast alle getesteten Exemplare ab 40V anfingen zuverlässig zu arbeiten. Somit waren die Auswahl leicht den mir reichte ja eines dass ab 120V Gleichspannung werkelte. Die ganze Elektronik zur Filterung/Gleichrichtung etc. am Eingang des Netzteils kann man lassen. Also man braucht nichts zu verändern sonder gibt anstatt der 230V Wechselspannung die Gleichspannung direkt von den Solarpanels auf den Eingang (Polarität ist natürlich egal wird ja eh noch mal gleichgerichtet :-)).  Dabei habe ich alle 3 Solarstränge über je eine Diode auf das Netzteil gelegt so dass der Strang mit der höchsten Spannung die Versorgung übernimmt.

Handelsübliches Schaltnetzteil als Stromversorgung aus den Solarzellen

Aufgebaut wurde das Ganze auf einer Lochrasterleiterplatte und entsprechend mit Ösen versehen so dass es in einen großen Schaltkasten fest und berührungssicher eingebaut werden kann. Es ist unbedingt auf entsprechende Isolation und Berührungsschutz zu achten! Gleichspannung über 40V ist kein Spaß mehr!

Wasseralarm

Wartungsfrei für hoffentlich 10 Jahre

Wenn man die Segnungen des modernen Haushalts nutzt wie Geschirrspüler und Waschmaschine läuft man auch Gefahr dass die mal auslaufen. Sollte man noch jemanden unter sich wohnen haben wird’s besonders interessant einen Wasserverlust dieser Geräte schnellstmöglich zu erkennen. Also braucht man einen Wasseralarm. Das ganze kann man recht einfach aufbauen. Ziel ist eine sehr lange Funktion ohne Wartung. Als Batterie kommen da nur Lithium Knopfzellen in Frage (die halten 10 Jahre) und man braucht einen äußerst niedrigen Ruhestrom der Schaltung.
Das geht sehr gut unter Nutzung eines MOSFET und eines kleinen Piepers. In meiner Bastelkiste gab’s noch einen Pieper SMA-21 der mit 1,5 -24V läuft… der war allerdings bei 3V ziemlich leise so dass eine Knopfzelle nicht ausreichte. Mit 6V war‘s passable laut und die Stromaufnahme des SMA-21 lag bei etwa 2,5mA… da kann der ganz schön lange piepen bis die Knopfzellen leer sind. Wichtig ist das im Ruhezustand, also kein Wasser am Sensor, nur ein sehr geringer Ruhestrom fließt, so dass die Batterien lange halten. Also habe ich die Schaltung so gestaltet, dass etwa 0,5uA fließen wenn „nichts los ist“.  Damit liegt man bei weit über 10 Jahren Betriebszeit d.h. hier spielt eher die Selbstentladung der Knopfzellen (CR2032 etc.) eine Rolle.

R4 ist kein Widerstand sondern der Sensor bzw. 3 Sensoren parallel

Wichtig ist auch das man den Wassersensor so beschaltet das über den zwei Kontaktflächen welche als Sensor agieren nur ein geringer Strom fließen kann. Sonst kommt es schnell zu elektrolytischen Prozessen und die Metalle der Kontakte „lösen sich auf“ bzw. korrodieren etc. Je nachdem was man für Metalle/Leiter-Kombinationen verwendet. Ich habe als Kontakte/Sensor zwei nebeneinander liegende vergoldete Kontaktleiterbahnen von einer alten PC-Steckkarte genommen. Als Wassersensor brauchte ich 3 Stück so habe ich also 3 Sensoren parallel geschaltet. Die Länge der Zuleitungen zum den Sensoren sind unkritisch und können mehrer Meter sein.

Sensor

Die beiden Knopfzellen wurden in Batteriehalterungen von alten Mainboards gesteckt.

Rückseitenansicht

Der eingesetzte MOSFET (uPA1700) sollte eine geringe Gate-Threshold-Spannung haben (um die 2V ist ok) und in meinem Fall habe ich gleich noch einen mit integrierter Gate-Source Schutzdiode genommen. Damit spart man sich jeglichen Aufwand (Einsatz einer externen Suppressor-Diode) um das normalerweise recht empfindliche Gate  gegen statische Ladungen zu schützen. Solche MOSFET findet man in Laptopschrott etc. und die gibt es z.B. von NEC und Toshiba. Der genaue Typ ist unkritisch da keine Anforderungen an Verlustleistung, Strom, Spannung oder Einschaltwiderstand gestellt werden.

Schaltung auf der Rückseite des Piepers

Das ganze wurde frei verdrahtet und in eine kleine durchsichtige Plastikdose eingebaut und noch mit einem EIN/AUS-Schalter versehen… wenn der Alarm mal angeht sollte man den auch abschalten können sonst nervt das bis man endlich den Sensor unter der Waschmaschine vorgekramt und trocken gewischt hat.
Nachtrag: R5 war ursprünglich ein 3,1M aber nach einigen Fehlalarmen durch Kondenswasser an den Sensoren (ja das lange Föhnen der lieben Frau nach dem Bade) habe ich den auf 1,3M reduziert und so geht’s ...

Projektionswecker mit Solarbetrieb

So was kann auch mal 5 Euro kosten...

Da habe ich doch tatsächlich für 5 Euro einen Projektionswecker im Ausverkauf bekommen. Die fand ich schon immer sehr sinnvoll hatte aber schon genug Wecker die einfach nicht kaputt gehen wollten um endlich mal einen Neuen zu kaufen. Aber bei dem Preis war es egal. Nach Begutachtung des Teils war mir klar dass man denn nur sinnvoll im Dauerprojektionsmode mit Netzteil betreiben kann. D.h. das ganze Teil vor den Kindern geschützt hoch auf den Kleiderschrank gestellt mit dazugehörigem 3V Netzteil dran und an die Decke projizieren lassen. Aber da war nirgends eine Steckdose in der Nähe, den vor genau der Selbigen stand der Kleiderschrank… hmm. Das Netzteil hatte im Leerlauf schon 1,5W. Das macht so etwa 3 Euro Stromkosten p.a. und die Lichtleistung der Projektions-LED war auch ganz gut so dass in dunklen Nächten es schon wieder störend hell an der Decke leuchtet.

Mit anderen Worten: mal wieder was zum Basteln.

Ziel war es wie immer mit Bauelementen auszukommen die schon vorhanden waren.
Ich hatte ein 1,5Watt Solarpanel aus einem defekten Solargartenspringbrunnen. Da waren die Schleifkontakte beim vergossenen Billig-Motor abgenutzt. Das Panel ist eine Dünnschichtzelle welche zwar einen schlechten Wirkungsgrad hat aber da meine Schlafzimmer-Fensterfläche sehr groß ist darf das Modul auch ruhig ein bisschen größer sein. Nach meiner Rechnung sollte ein 1,5W Modul locker reichen um den Wecker zu betreiben. Der braucht im worst case 1Wh pro Nacht aber im Durchschnitt nur 7mA*3,6V*12h = 0,3024Wh.

Installation im Schlafzimmer: Wecker der an die Decke beamt und Solarpanel am Fenster befestigt mit Saugnapf und Sicherungsschnur (ich vertrau den Saugnäpfen nicht ... ;-) )

Ich wollte das ganze mit Li-Ion Akku aufbauen da ich davon reichlich habe, die von der Ladecharakteristik nicht allzu kompliziert sind und sie bei richtiger Handhabung sehr lange Standzeiten und viele Ladezyklen erreichen. Mehr dazu unter der Rubrik Li-Ion Akku.

Somit habe ich als erstes eine Schaltung entworfen die mir den Akku lädt. Dazu muss man wissen, dass in militärischen Anwendungen Li-Ion Akkus oft nur bis max. 3,9V geladen werden. Dadurch ergibt sich zwar ein Kapazitätsverlust von 1/3 aber die Lebensdauer wird etwa um den Faktor 3 erhöht. Und genau das brauch ich bei meiner Solarlösung denn ich will ja nicht jedes Jahr (365 Ladezyklen) den Akku wechseln müssen. Auch wird die Lebensdauer des Akku erhöht wenn man ihn nicht zu tief entlädt und da verliert man wieder etwas von der nutzbaren Kapazität. Aber Standfestigkeit hat Priorität denn ich kann ja einfach einen überdimensionierten Akku verwenden und habe damit das Kapazitätsproblem gelöst. Zum Einsatz kommt also ein ausgeschlachteter Li-Po (1500mAh) mit noch gemessenen 900mAh (siehe Beitrag Akku-Monitor) von dem effektiv etwas weniger als 500mAh genutzt werden können aufgrund der niedrig dimensionierten Ladeschlussspannung von 3,9V und der hoch dimensionieren Entladeschlussspannung von 2,9V.

So wurde folgende Schaltung entworfen.

 

Solarversorgung mit Ladeschaltung, Unterspannungsabschaltung, Dämmerungsschalter und Dimmer für Projektionswecker

     

Ein Ladespannungsbegrenzer für 3,9V durch simple Shuntregelung mit Tl431 (den 431 findet man u.a. in jedem PC-Netzteil) und einem Leistungstransistor Q1 der die überflüssige Solarenergie verbrät. Zur Entlastung wurden noch 5 1A Si-Dioden als Arbeitswiderstand gegeben welche noch einen Teil der Energie aufnehmen und gleichzeitig genug Spannungsabfall erzeugen um ein Ladeabschaltrelais durchzusteuern. D.h. wenn der Akku seine vorgegebenen 3,9V erreicht hat wird die Ladung beendet. Kurz vor Ladeschluss leuchtet schon mal Led1 um anzuzeigen dass der Akku fast voll ist. Bei genügend Überspannung (d.h. genügend Sonne und geringer Stromabnahme durch den Akku) schaltet dann das Relais den Akku ab und eine Led3 ein. Dann ist klar: Akku voll. Maximal muss man damit rechnen, dass die Schaltung bei optimaler Sonneneinstrahlung und vollem Akku 1,5W verbraten muss.

Dann kommt eine 1A Schottkydiode als Rückflussschutz damit sich der Akku nicht bei Nacht über die Solarzelle entlädt. Diese Diode ist unkritisch, wenn man wählen kann sollte man ein Exemplar mit geringem U fluss wählen.

Ladeelektronik und Unterspannungsabschaltung für den Li-Po

Nach dem Akku kommt die Unterspannungsabschaltung bei 2,9V. Diese Schaltung kann man gut mit einem Transistor und einem MOSFET realisieren. Ich habe sie aber mit 2 MOSFET entworfen, da ich ziemlich viele DUAL N- und P-Channel SMD-MOSFET aus Computerschrott habe. So was ist auf allen möglichen PCI-Karten, Harddisks, und vor allem Motherboards insbesondere von Laptops zu finden. Die stecken immer in einem SO-8 Gehäuse und sind noch gut verarbeitbar von der Größe her.

Über eine einstellbare (Poti) Spannungsreferenz wird entsprechend die Plusleitung unterbrochen bei Erreichen des unteren Schwellwertes von 2,9V und aufgrund einer Hysterese von etwa 0,3V wird auch wieder eingeschalten nach Ansteigen der Akkuspannung auf 3,2V. Diese ganze Mimik wurde frei verdrahtet und direkt an der Solarzellenrückwand mit Klebestreifen inklusive Akku, welcher durch zwei dicke Drahtklammern gehalten wird, angebracht.

Komplettansicht der am Fenster montierten Solarzelle mit rückseitig angebrachtem Li-Po und der Akku-Management Elektronik

Von da geht das zweiadrige dünne Kabel (fließen ja nur max. 25mA) zum Wecker… genauer zum Stecker. An diesem habe ich einen Sub Miniatur Dämmerungsschalter angebaut. Hätte man auch alles in den Wecker bauen können aber ich wollte es mal besonders klein :-). Der Dämmerungsschalter hat ein SMD-Potie (aus altem PC-Diskettenlaufwerk) zum Helligkeitsschwelle einstellen. D.h. bei Tag wird die Stromversorgung des Weckers unterbrochen (sieht man eh nichts an der Decke da Tageslicht viel zu hell und an trüben Tagen die ganze Solarenergie zum Laden des Akkus benötigt wird). Der Dämmerungsschalter wurde frei verdrahtet und mit SMD-Bauelementen realisiert. Einzig der Fototransistor ist ein normal Bedrahteter welcher aus einem offenen Optokoppler stammt (findet man in alten Diskettenlaufwerken, Druckern…). Aufgrund der möglichen Spannungsschwankungen (2,9V – 3,9V) für den Dämmerungsschalter wurde eine etwas präzisere Spannungsstabilisierung für den Fototransistor nötig. Ich habe mal eine „Z-Diode“ mit 2,5V Z-Spannung kreiert (im grauen Bereich) welche sehr konstant ist bei niedrigen Strömen und aus N-Channel FET + 1MOhm + Si-Diode + LED besteht. So was gibt’s auch fertig zu kaufen aber ich hatte es halt nicht da…

Stecker mit integriertem Dämmerungsschalter (aus SMD Bauelementen aufgebaut)

Zum Schluss wurde noch eine Schaltung in den Wecker eingebaut welche die umgebungshelligkeitsabhängige automatische Strom-Regelung (4mA bis 22mA) der Projektions-LED ermöglicht. Damit stört die Dauerprojektion in dunklen Nächten nicht mehr. Weiterhin wurde noch eine Schaltung designt die eine Abschaltung der externen Solarstromversorgung bewirkt für den Fall, dass man im Wecker Batterien eingelegt hat und auf den Projektionsknopf drückt. Das ist wichtig damit die Projektions-LED nicht zu viel Strom bekommt (Batterie + Solarversorgung) und abraucht… die scheint nämlich nicht auswechselbar. Das kann man aber auch weglassen wenn man nicht vor hat Batterien für die Projektion in den Wecker einzulegen. Der Wecker selber läuft mit 1,5V aus einer AA-Batterie welche nun schon seit 5 Jahren ihren Dienst tut.

Der Li-Po welcher jetzt schon seit 3 Jahren im Einsatz ist bietet genug Reserve um auch mal eine ganze trübe Woche zu puffern. Insgesamt funktioniert die Lösung sehr gut... da freut sich sogar auch mal meine Frau über die Uhrzeit an der Decke.

Rauchwarnmelder modifiziert

typischer Rauchwarnmelder

Einen Rauchmelder wollte ich schon immer mal kaufen, da im Gartenhäuschen ein Ofen steht. Da gab es jetzt welche für 4,- Euro und da konnte ich nicht nein sagen.

Das ganze wird mit einer 9V Blockbatterie betrieben. Das Teil scheint soweit ganz gut, aber ich musste natürlich mal reingucken ob man noch was verbessern kann. Wenn man den Rauchmelder aus gesetzlichen Gründen etc. braucht sind keine Modifikationen zulässig. d.h. dann das Gerät so verwenden wie es gekauft wurde!

Innenansicht Rauchmelder mit schwarzer Dunkelkammer und weißem Pieper

Verbaut ist ein CS2105GO-M12 über den ich nix gefunden habe außer das er pin-kompatibel mit dem MC145012 sein soll. Und beim genaueren Betrachten der Schaltung stellt man fest der scheint tatsächlich dem MC145012 zu entsprechen... auch alle Bauelemente haben die gleichen Werte der Referenzschaltung des MC145012 und sogar die gleiche Bauteilbezeichnung auf meiner Platine. 

Schaltung des Rauchmelders in SMD

Die Raucherkennung erfolgt über eine Luft/Rauch-durchlässige Dunkelkammer. Darin sendet eine IR-LED periodisch einen IR-Lichtimpuls welcher die ebenfalls vorhanden IR-Photodiode direkt nicht treffen kann. Sollten aber Rauchpartikel in der Dunkelkammer sein dann wird das IR-Licht daran in alle möglichen Richtungen reflektiert und erreicht auch die Photodiode und dann gibt's Alarm.

Interessant ist das der IC einen ungenutzten I/O-Pin hat über den man mehrere Rauchmelder einfach vernetzten könnte. Die Funktionalität ist gut im Datenblatt beschrieben.

Die kleine rote LED und 2 Widerstände wurden ersetzt.

 

An Schaltung und Aufbau kann man eigentlich nichts groß verbessern. Was mir allerdings am Herzen liegt wäre eine möglichst lange Standzeit der Batterie. Angeblich soll die so etwa 2 Jahre halten. Also was kann man da noch machen...? Es gibt eine rote LED welche im 32s Takt für etwa 8ms so vor sich hin blinkt um zu signalisieren, dass der Rauchmelder im Betrieb ist. Im Alarmfall kann man am Blinkverhalten ebenfalls feststellen ob es ein Fremdalarm ist d.h. ausgelöst über den I/O-Pin oder ein lokaler Alarm. Diese 8ms Blinken entspricht einer Brenndauer von 2,19h p.a. und erzeugt bei einem LED-Strom von 15,5mA (Rv der LED ist 470Ohm) etwa einen Energieverbrauch von 33mAh p.a. Das ist nicht gerade viel lässt sich aber noch reduzieren auf etwa 3mAh pro Jahr wenn man den Rv der LED auf 5,6K erhöht (dann fließen bloß noch 1,3mA) und die LED durch einen Low-Power-Typ ersetzt. Solche Low-Power LED's findet man z.B. in alten optischen Mäusen. Die leuchten schon bei 1mA schön hell und rot.

Was geht noch? Wenn man ins Datenblatt/Schaltung schaut sieht man dass ein Spannungsteiler (R6=100k, R7=47k) eingebaut ist welcher das Low-Batt. Signal auslöst bei (5*R7/R6)+5 = 7,35V. Also wenn man will das der Low-Batterie Alarm etwas später kommt dann einfach R7 von 47k auf z.B. 33k reduzieren und schon piept's erst bei 6,65V. Der IC ist für Vdd min. 6V spezifiziert und das auslösen des Low-Batt. Signals darf bis 6,5V erfolgen... es sollte damit kein Problem sein. Die Batterie hält so noch mal etwa ein halbes Jahr länger. 

Es wurde noch einen EIN/AUS-Schalter spendiert

 

Ich habe noch einen Schalter eingebaut um den Rauchmelder ganz abzuschalten da ich den im Winter eh nicht in der Gartenlaube laufen lasse und das Batterierausnehmen nicht so einfach ist wegen des verwendeten Softkontaktpads... da habe ich immer Angst das nach 5mal Batterie ab- und anklipsen die Kontakte abreißen.  

Li-Ion Akkus

unterschiedliche Li-Ion / Li-Po Akkus

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Li-Ion Akkus in Bauform und verwendetem Material. Wenn man also genau wissen will welche Daten z.B. Lade-/Entladeschlussspannungen gelten muss man sich das jeweilige Datenblatt besorgen. Für eigene Projekte sind Li-Ion gut geeignet erstens wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Energiedichte, gute Frostbeständigkeit (bis zu -25C), geringe Selbstentladung und hoher Zyklenzahl. Und zweitens weil man heutzutage oft günstig welche aus alten Akkupacks (Handy, Laptop, Kamera, PDA…) ausschlachten kann die noch erstaunlich fit sind. Meine Erfahrung zeigt, dass man aus 10 Jahre alten Akkupacks welche schon um die 200 Ladezyklen hinter sich haben (das sind typischen Nutzungshäufigkeiten von Laptops, Handys bei 4 Jahren Nutzung mit 1-mal Ladung pro Woche = 200 Zyklen und dann noch 6 Jahre Lagerung bis zum Wegwerfen) Li-Ion gewinnen kann mit Energiedichten welche neuen NiMh-Akkus entsprechen.  Die machen dann auch noch mal locker einige hundert Ladezyklen mit.

Der Vorteil ist eigentlich das relativ einfache Ladeverfahren. Man lädt den Akku bis max. 4,2V (häufigste Ladeschlussspannung) und überschreitet dabei nicht den je nach Akku unterschiedlichen max. Ladestrom. D.h. man braucht nur ein auf 4,2V stabilisiertes Netzteil das bei höheren Strömen als dem max. Ladestrom des Akkus sowieso zusammenbricht und fast FERTIG! Man muss noch darauf achten das der Akku nicht permanent an den 4,2V hängt. Also eine zeitliche Abschaltung nach erreichen der 4,2V ist auch noch nötig.

Bei Handy Akkus ist der max. Ladestrom meist so 0,5A und bei Laptop Akkus oft 1-2A. Am besten gucken was das orig. Ladenetzteil geliefert hat und daraus dann schlussfolgern wenn man nix über den Akku selbst im Internet findet. Wenn man gar keine Info über den entsprechenden Akku hat dann lieber Finger davon lassen und in den nächsten Supermarkt/Drogeriemarkt etc. gehen und dort mal in dem Altbatteriesammelbehälter schauen ob man was Besseres findet. Prinzipiell gilt aber man kann immer mit einem niedrigeren Ladestrom arbeiten wenn man sicher sein will, das Laden dauert dann nur etwas länger. Als voll gilt der Akku wenn der Ladestrom bei den max. 4,2V auf etwa 10% der Akkukapazität gefallen ist d.h. ein 1200mAh Akku nur noch 120mA Ladestrom zieht bei angelegten 4,2V. Dann sollte man abschalten. Man kann auch fröhlich weiterladen solange die Ladespannung auf max. 4,2V begrenzt ist aber nach ein paar Tagen gibt es den unerfreulichen Effekt der langsamen Zerstörung (siehe nächster Absatz). Professionelle Lader arbeiten auch mit höheren Ladespannungen begrenzen dann aber den Ladestrom entsprechend, damit sind die in der Lage den Akku schneller zu laden. Das ist aber deutlich komplizierter und bedarf der Einhaltung bestimmter Grenzwerte was Überspannung etc. angeht. Also einfacher als ein schwachbrüstiges  Konstantspannungsnetzteil was von Haus aus nur einen bestimmten Strom liefern kann geht es eigentlich nicht.  Wichtig ist nur das die 4,2V nicht mehr als um 0,05V überschritten werden dürfen d.h. max. 4,25V. Manche Akkutypen, z.B. manche Li-Po‘s, vertragen auch 4,3V aber wenn man es nicht genau weiß sollte man bei 4,2V bleiben. Man büßt dann etwas der max. möglichen Kapazität ein… aber die 5% nicht genutzte Kapazität machen den Kohl auch nicht fett und der Akku hält länger. Man muss wissen dass ein Überladen durch zu hohe Spannung den Akku in sehr kurzer Zeit zerstören kann d.h. ein rapider Kapazitätsverlust einsetzt.

Die Entladung kann fast immer bis 2,8V erfolgen, viele Akkus lassen auch bis 2,5V laut Datenblatt zu. Danach muss abgeschaltet werden, denn auch bei zu niedrigen Ladeständen erfolgt eine langsame Zerstörung. Der max. Entladestrom sollte nicht überschritten werden und muss aus dem Datenblatt bzw. der ursprünglichen Anwendung geschlussfolgert werden. In etwa gilt Handy/PDA Akkus 1A und Laptop Akkus 2-3A. Anders sieht das bei Li-Po's aus welche teilweise mit erstaunlich hohen Entladeströmen aufwarten können.

Um die Lebensdauer und Zyklenzahl zu vergrößern sollte man den Akku nicht über 3,9V laden und nicht unter 3V entladen. Das macht man wohl z.B. in militärischen Anwendungen so. Da büßt man zwar etwa 40% der nominalen Akkukapazität ein aber die Zyklenzahl erhöht sich um etwa 100% und die Standzeit kann um bis zu 300% vergrößert werden. Die 3,9V kommen wohl daher dass über 3,9V chemische Prozesse im Akku ablaufen die diesen langsam irreversibel zerstören. Darum wird empfohlen Li-Ion nur 60%-70% geladen dauerhaft zu lagern denn damit bleibt man unter den 3,9V. Und das ist auch der Grund warum sich schon so mancher Laptopbesitzer gewundert hat warum sein Akku nach einem Jahr kaum noch Kapazität hat obwohl der Laptop doch immer am Netzteil hing… genau das war das Problem: der Akku wurde permanent auf 4,2V geladen gehalten! Also bei so was besser den Akku mit 60-70% Ladezustand rausnehmen aus dem Laptop.

Für die Nutzung von Li-Ion in Eigenbauprojekten ist das eine gute Lösung: man nimmt eine Spannungsquelle mit max. 3,9V und einer Strombegrenzung zum Laden, da kann der Akku recht lange dranhängen. Trotzdem sollte eine Abschaltung der Ladespannung nach einer Weile erfolgen sonst tut das dem Akku auch nicht so gut wenn er über Tage permanent geladen wird. Das führt bei Li-Po’s z.B. zu Aufblähungen. Beim Entladen wird eine Abschaltung bei 3V realisiert. Ich habe mal eine Tiefentladeschutzschaltung entworfen die sich einfach aufbauen lässt und problemlos mit Strömen bis zu 2A klar kommt.  

Tiefentladeschutz für Li-Ion bei Nutzung eines komplementären N/P-MOSFET IRF7105

Die Schaltung wird im Projekt Projektionswecker mit Solarbetrieb beschrieben. Es können beliebige andere MOSFET-Typen eingesetzt werden solange sie eine Gate-Treshold Spannung unter 2,5V haben.  Der erste MOSFET X4 kann auch durch einen npn Transistor ersetzt werden. Man muss aber die jeweilige Abschaltspannungsreferenz (Spannungsabfall über D1+D2) anpassen an Ube bzw. Ugate-threshold (Feinabstimmumg ist mit R10 möglich 10k-500K) um die entsprechende Abschaltschwelle von rund 3V einzuhalten.

Realisiert mit einem IRF7105 in SMD-Freiverdrahtung

Akku Tiefentladeschutz mit einem Transitor und Power-MOSFET für Ströme bis 10A

Die meisten Akkus für Konsumerprodukte haben eine Laderegelung schon eingebaut. In Laptop Akkus ist die aufwendig, kompliziert und kaum nachnutzbar. Dort werkelt oft ein Microcontroller und ein spezieller IC der das Loadbalancing zwischen den Zellen steuert etc. Da kann man oft nur die einzelnen Zellen ausbauen und mit einer eigenen Schutzelektronik versehen.

Steuerelektronik eines Laptop Akkupack

Bei Einzelzellenlösungen wie z.B. Handy Akkus sind oft nur kleine Schutzschaltungen in das Pack integriert bestehend aus einem IC. Der steuert über MOSFET's dass beim Erreichen der Ladeschlussspannung von etwa 4,2V der Akku abgetrennt wird und ebenfalls bei Erreichen der Entladeschlussspannung von etwa 2,5V abgeschaltet wird. D.h. so wird ein Über- und Tiefentladen verhindert. 

Schutzschaltung in SMD mit dem Steuer IC (rechts) und 2 MOSFETS

Meist noch mit verbaut ist eine PTC-Sicherung (Kaltleiter) welche bei extremen Strömen sich erhitzt und hochohmig wird aber nach Abkühlung wieder niederohmig ist. Da muss man nur noch dafür sorgen, dass die max. Lade- bzw. Entladeströme nicht überschritten werden. 

Schutzschaltung an einem PDA Akku

Wenn man aber diese Schutzschaltung weiter verwenden will sollte man unbedingt deren Funktion überprüfen. Ich hatte schon öfter gebrauchte Akkus wo die Schutzschaltung defekt war d.h. nicht abschaltete bei Überladung etc. dazu muss man allerdings wissen dass mögliche Abschaltpunkte auch erst bei 4,35V liegen können (je nach eingesetztem IC bzw. Akku-Typ). Aber wenn bei 4,35V noch nix passiert sollte man die Schutzschaltung lieber nicht mehr verwenden. Ich persönlich halte nichts davon die Akkus etwas zu überladen also z.B. auf 4,3V um noch mehr Kapazität rauszuholen denn oft bezahlt man das mit einer drastisch kürzeren Lebensdauer. 

Alles gesagte ist natürlich nicht für alle Li-Ion Akkutypen gültig... dazu gibt es zu viele verschiedene bzgl. chemischer Zusammensetzung. Und wer nicht genau weiß was er macht sollte lieber die Finger von der Li-Ion Technologie lassen da doch ein erhebliches Gefahrenpotential besteht bei falscher Handhabung. Man schaue sich mal im Internet die Videos von abbrennenden Li-Ion Akkus an… dann weiß man dass das kein Spaß ist.