Solarlaterne mit diskreten Bauteilen
von
Richard
Kotte
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.
