Solarlaterne mit diskreten Bauteilen         

von Richard Kotte                             
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Ich habe eine Solarlaterne mit diskreten Bauteilen in Brettchentechnik aufgebaut. Sie verhält sich wie eine Garten-Solarleuchte, wie man im Baumarkt bekommen kann: Wenn es dunkel wird, geht das Licht an.

Die Schaltung basiert zunächst auf dem "Joule Thief", einer effizienten Spannungswandlerschaltung, im obigen Schaltbildteil dargestellt. Die Funktion des Joule Thiefs ist im Internet vielfach beschrieben.



Bei Tag lädt die Solarzelle lädt den Akku auf, dabei ist der PNP-Transistor gesperrt. Gegen Abend sinkt die Solarzellenspannung unter die Akkuspannung und der PNP-Transistor beginnt zu leiten. Ein weiterer NPN-Transistor ist zur Verstärkung nötig, dieser schaltet den Joule Thief frei, das Licht geht an.



Je nach verwendetem Ferritkern (je nachdem was der Elektroschrott so her gibt...) kann es sich lohnen die Windungsanzahl auf dem Kern zu variieren (2x 20 Windungen ... 2x 10 Windungen). Eine verringerte Windungszahl bedeutet eine geringere Helligkeit der LED, was jedoch den Vorteil hat, dass die LED dann auch länger in die Nacht hinein leuchtet aufgrund der geringeren Stromaufnahme der Schaltung. Auf der Brettchenschaltung habe ich noch den 1k-Widerstand des Joule Thief über ein Poti variabel gemacht (100 Ohm Festwiderstand in Reihe mit einem 4k7-Poti), so lässt sich die Helligkeit noch weiter einstellen. Die Schaltung ist sehr anspruchslos hinsichtlich der verwendeten Bauteile.


Anmerkungen von Dieter Drewanz

Folgender Satz erscheint mir nicht ganz richtig zu sein: Eine verringerte Windungszahl bedeutet eine geringere Helligkeit der LED, was jedoch den Vorteil hat, dass die LED dann auch länger in die Nacht hinein leuchtet aufgrund der geringeren Stromaufnahme der Schaltung.

Die Helligkeit der LED sinkt eigentlich mit höherer Induktivität, d.h. höherer Windungszahl, da bei höherer Induktivität die "Ladephase" länger benötigt und somit weniger "Leistung" umgesetzt wird (bei Änderung beide Wicklungen, oder nur die Wicklung im Kollektorpfad). 

Eine verringerte Windungszahl bedeutet eine geringere Helligkeit der LED, wenn dies nur im Basispfad durchgeführt wird, allerdings nicht zu sehr, da sonst die Schaltung nicht mehr schwingt. Wenn die Stromversorgung 1,5V habe, die LED 3,5V zum Leuchten benötige, dann wäre es gut, wenn die Induzierte Spannung in Basis-Kreis die Spannung an der Basis auf mindestens unter 0,3 V senken würde. D.h. mindesten 1,2V gegenüber 2V (Hinweis: 1,5V+2V = 3,5V) --> Windungsverhältnis 0.6:1 sollte nicht unterschritten werden.
Bei 1,5V Stromversorgung mit 2,3V LED, stünden 1,2V gegenüber 0,8V --> Windungsverhältnis 1,5:1 sollte nicht unterschritten werden.
Bei 1,2V Stromversorgung mit 2,3V LED, stünden 0,9V gegenüber 1,1V --> Windungsverhältnis 0,8:1 sollte nicht unterschritten werden.

Eine verringerte Helligkeit hatte ich der Vergangenheit aber ebenfalls beobachten können, die allerdings verursacht wurde durch eine zu hoch werdende Frequenz, resultierende verringerte Verstärkung und somit Kippen der Schaltung in den jeweiligen anderen Zustand bei niedrigeren Strömen durch den Spulenkreis. Es lag größtenteils an parasitären Kapazitäten eines ungünstigen Aufbaus mit billigen Transistoren (BC xxx).  

Hinweise zum Ferritkern von B. Kainka

Es kann durchaus sein, dass man mit derselben Schaltung ganz unterschiedliche Erfahrungen macht. Es kommt nämlich sehr auf den verwendeten Ferritkern an. Bei gleichen Maßen können unterschiedliche Ferritsorten ganz andere Induktivitäten und Sättigungsgrenzen bringen. Weil die Schaltung frei schwingt, ist die Arbeitsfrequenz kaum vorhersagbar und stellt sich nicht unbedingt optimal ein. Eine Messung mit dem Oszilloskop könnte zeigen, ob der Transistor gut durchsteuert, um dann die Wicklungen zu optimieren. So kann man auch mit unbekannten, ausgebauten Kernen gute Ergebnisse bekommen. Oder einfach rumprobieren, bis es gut funktioniert.


Geglätteter LED-Strom von Günther Zivny

In dieser Schaltung wird die LED mit kurzen, aber kräftigen Stromimpulsen betrieben. Da LEDs schon bei kleinen Strömen fast ihre maximale Helligkeit erreichen, kann man die Helligkeit merklich steigern, wenn man den Stromfluss verstetigt. Auswirkungen auf die Stromaufnahme hat das nicht. Man schaltet hierzu eine Gleichrichterdiode (z.B. 1N4148) in Reihe mit der LED und einen kleinen Kondensator (z.B. 1µF) parallel zur LED.


Solarlaterne mit 12 V von Lutz, DL4OBG



Seit einiger Zeit wollte ich mal meine Solar-Laterne überarbeiten und habe das jetzt geschafft. Zuerst war sie nur auf Wellpappe aufgebaut, das hält leider nicht lange. Grundlage ist der Artikel oben, nur hatte ich anderes Material zur Hand, also das Ganze fix umgemodelt. Die Solarzelle für 12 Volt schafft etwa 85 mA, ein paar Li-Ion-Akkus waren auch in der Bastelkiste und was noch dazugehört, fand sich auch mit einem Handgriff, recht alte, ausgemusterte Zellen, um die es nicht schade wäre, aber noch zu gut, um sie in die Entsorgung zu geben. Es gibt einen Balancer-Anschluss außerhalb des Bildes, wo ich gelegentlich kontrollieren kann, ob und wie die Zellen auseinanderdriften. Der Aufbau fand auf einer billigen Pappel-Sperrholzplatte mit Reißzwecken statt, für diese Löcher wurde 0,8 mm vorgebohrt. Die messingüberzogenen Reißzwecken lassen sich hervorragend löten und man hat einen recht stabilen, wenn auch nicht wetterfesten Aufbau. Die Solarzelle ist mit 4 Musterbeutelklammern "verhaftet" und sicherheitshalber oben und unten verlötet, damit sie nicht verrutschen. Die Akkus wurden einfach mit einem Kabelstraps am Brett befestigt, hierzu brauchts nur 2 Löcher 3 mm.



Die Schaltung ist, wie so oft, eigentlich selbsterklärend (und ja auch bereits beschrieben), die 4 Si-Dioden in der Leitung zu den 12 V LED-Strips verhindern eine Tiefentladung der Akkus, denn bei etwas über 9 Volt Akkuspannung mit ihnen geht die Stromaufnahme der LEDs gegen Null. Die Strips nehmen zusammen bei vollem Akku etwa 150 mA auf, so ist nahezu gesichert, dass die Akkus nie überladen werden. Da muss man selbst gucken, wie lange die Solarzelle voll beschienen wird und ab und zu mal die Spannung der Akkus morgens und abends messen, damit sie nicht doch überladen werden.



Meist braucht man die recht ordentliche Beleuchtung ja auch nicht die ganze Nacht, 2-3 Stunden reicht ja oft schon, um einen schönen Sommerabend etwas länger zu erhellen!

Nachtrag: Ich hatte die Laterne noch einmal mit besseren Solarmoduln aufgebaut (2x 6V 300mA Kurzschlußstrom, Reichelt). Die Kette von Si-Dioden zwischen Kollektor und +Akku ist auch hier so zu bemessen, daß die Akkuspannung bei 3 Lithium-Polymer Zellen möglichst nicht unter 9 Volt sinkt. Das ist ja abhängig von den LED Stripes. Ich habe später dann warmweiße Streifen verwendet, die bei etwas über 9V kaum noch glimmen und demnach nur noch minimal Strom aufnehmen, daher sind die LEDs dann direkt an Akku+ und Kollektor angeschlossen. Mein Balkon zeigt nach West-Südwest und an sonnigen Tagen sogar im Winter kommt es vor, daß in der folgenden Morgendämmerung noch etwas Leuchten zu sehen ist. Längere LED Streifen wären also gut machbar, besonders wenn die Solarzellen optimal ausgerichtet sind. Ich baue das noch einmal auf mit abgesetzten und versiegelten Solarzellen und Elektronik/LEDs wettergeschützt und dort, wo die Lichtquelle sinnvoll ist als Laterne. Am Wichtigsten aber ist, das funktioniert jetzt schon ca. 1/2 Jahr einwandfrei, was ja auch für das Konzept spricht.


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