Solarlader für Lithium-Polymer-Akku (Li-Po Rider)

Wie vor zwei Wochen im Artikel zum Elektronikzubehör von SeeedStudio erwähnt, hatte ich kürzlich den LiPo-Rider erworben, mit dem man einen Standard-LiPo-Akku (3.7V Output, 4.2V in) laden kann. Als Spannungsversorgung kann man wahlweise per Mini-USB-Buchse oder mittels Solarzellen laden.

Der Solareingang erwartet eine Spannung von 4.8-6.5 V, also genau die Spannung, die von den bei SeeedStudio angebotenen Solarzellen bei ausreichender Beleuchtung zur Verfügung gestellt wird. Die Eingangsstromstärke darf bis zu 500mA (laut Datenblatt des Ladechips CN3063 Maximum 600mA) betragen, was bei optimaler Sonneneinstrahlung 3W Solarzellen entspricht. Hier in Mitteleuropa ist eine derartige optimale Einstrahlung aber kaum gegeben, theoretisch sollten hier auch 4W den Eingang (meist) noch nicht überlasten. Schließt man an den USB-Eingang ein Kabel an einem normalen USB-Port eines Computers an, kann man in der Regel mit 200mA laden, was bei 1Ah etwa 5h Ladezeit erfordert. Einige moderne Mainboards bieten heutzutage einzelne Ports mit bis zu 500mA, auch externe Ladegeräte (z.B. USB-Ladegeräte für Handys) bieten meist um die 500mA, was entsprechend bei einem 1Ah-Akku die Ladezeit auf ca. 2h verkürzt.

Laut Anleitung im SeeedStudio-Wiki dient außerdem ein auf dem LiPo-Rider vorhandener Schalter dazu, den Ladevorgang zu deaktivieren. Anfänglich hatte ich das so verstanden, dass damit die Eingangsspannung gemeint ist. Das ist allerdings Blödsinn, da etwas ungünstig formuliert. Der Schalter ist nämlich für den Ausgang gedacht, neben dem er auch positioniert ist und der Ausgang lässt sich ja auch zum Laden von (einigen) Handys nutzen.
Sehr merkwürdig ist allerdings, dass bei eingeschaltetem Ausgang selbst mit guter Solarladung und ohne vorhandenen Abnehmer die Akkuspannung rapide sinkt. Ich hatte die letzten Tage eine Menge mit dem LiPo-Rider herumexperimentiert. Das Laden per USB ist kein Problem, ein voll geladener 980mA-Akku kann einen mbed mit einer Hand voll zusätzlicher Bauteile für ca. 1.5h versorgen - also der mbed saugt schon sehr extrem an der Leitung, aber so extrem? Andererseits hatte ich mehrere Tage lang den LiPo-Rider mit 2W Solarversorgung in der Sonne zu stehen - teils hinterm Fenster, teils bei schönem Wetter auch draußen. Zwar leuchtete die rote Lade-LED entsprechend etwa von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang und bei voller Einstrahlung auch sehr hell, aber trotzdem wurde der Akku nicht voll. Heute fing ich dann an, die Schaltung mal ein wenig durchzumessen und musste feststellen, dass der Akku auch bei gutem Solarstrom permanent auf seiner niedrigsten Spannung bleibt. Mit anderen Worten: Wenn kein Abnehmer am LiPo-Rider hängt, man aber den Ausgang aktiviert, dann verballert scheinbar die Schaltung rund um den AIC1896 sämtliche Eingangsleistung und saugt nebenbei auch noch den Akku im Eiltempo leer. Der AIC1896 ist der DC/DC-Converter auf dem LiPo-Rider, der aus dem Eingang (USB/Akku/Solar) eine stabilisierte Spannung von knapp 5V am USB-Ausgang zur Verfügung stellt.

Vorschau: LiPo-Rider, Lithium Polimer Akku, Solarzellen 2x1W, MultimeterIch bin mir noch nicht so ganz im Klaren darüber, ob ich einfach nur ein “Montagsprodukt” erwischt habe oder ob das wirklich normal sein soll, da ich bisher keinerlei ähnliche Probleme in Foren zu dem Thema finden konnte. Bei anderen Anwendern scheint diese Kombination aus Lipo-Rider, LiPo-Akku und 1-4W Solarzellen problemlos kleine Schaltungen (Arduinos etc.) zu versorgen, während dies bei mir nicht klappen will. Ich werde mal noch einige Versuche starten, den Akku weitestgehend per USB laden und dann gucken, ob die Versorgung anschließend trotz on-Position des Schalters stabil per Solar möglich ist … Immerhin kann ich mein HTC Desire Z mit der Schaltung auch bei nur schwach geladenem Akku laden - bei einer Spannung, wo der mbed noch streikt.

Die Eagle-Dateien der Schaltung kann man sich bei SeeedStudio getreu dem OpenHardware-Konzept heruntergeladen. Anfänglich ist das Ganze etwas verwirrend, aber mittels der Datenblätter zum CN3063 und zum AIC1896 steigt man zügig durch. Auf dem LiPo-Rider ist zwar der LiPo-Ladechip CN3083 verbaut, aber für diesen gibt es nur ein chinesisches Datenblatt. Der CN3063 soll nahezu baugleich zum CN3083 sein, weshalb man sich als Alternative mit dessen auf englisch verfügbaren Datenblatt begnügen kann. Der CN3063 wird neuerdings auch als Ersatz für den früher verwendeten CN3083 auf dem Seeeduino-Stalker eingesetzt. Der Vorschau: LiPo-Rider MesspunkteLiPo-Rider ist weitestgehend an die Standardschaltungen der beiden Chips angelehnt und auch die MOSFET-Schaltung für zwei Eingangsspannungen ist aus dem Datenblatt übernommen. Lediglich einige Kondensatoren haben andere Werte und natürlich gibt es ein paar Anpassungen bei den Widerständen zur Festlegung der Ausgangsspannung des AIC1896. Außerdem sind einige zusätzliche Glättungskondensatoren am DC/DC-Converter dran, um dessen 1.4-MHz-Ausgangsspannung weitestgehend glatt zu bekommen. Insofern konnte ich in der Schaltung keine Probleme erkennen, aber ich weiß natürlich immer noch nicht, ob evtl. auf der Platine irgendwas defekt ist - ohne richtig funktionierendes Vergleichsgerät ist das etwas kniffelig. Außerdem kann ich mangels der entsprechenden Bauteile auch nicht “mal eben schnell” den DC/DC-Wandler oder die Schottky-/Z-Dioden tauschen. Klar könnte ich andere Dioden einlöten, aber ob die dann auch wie vorgesehen funktionieren? SeeedStudio hat die verwendeten Dioden sicherlich nicht ohne Grund genau so gewählt, wie sie auf dem Board sind. Mhhh. Ich teste also noch ein wenig vor mich hin und bestelle mir zur Not einfach nochmals so einen LiPo-Lader, kostet ja nur 10 USD zzgl. Versand.

Ich habe einige Fotos gemacht, auf dem mit den 5 angeschlossenen Klemmen und Akkustatus voll (grüne LED ist schwach zu sehen) habe ich alle wichtigen Spannungspotentiale abgegriffen:
Vorschau: LiPo-Rider, VDD ohne Last

  • schwarz - GND, wird natürlich für alle Masse-Anschlüsse (Akku, Solar, USB-Ports, ICs) verwendet
  • grün - Solar + (zw. 0V und 6.5V)
  • rot - LiPo + (Akku voll = 4.2V)
  • gelb - VIN (bei mir: 4.82V mit USB-In-Anschluss, wenige 100mV-2.5V schwankend bei Solarzelle und schwacher-mittlerer Zimmerbeleuchtung, ca. 5-6V bei guter Sonneneinstrahlung, ohne Eingang um die 4mA schwankend)
  • blau - VDD5 (1.3mV bei Schalter off, bei Schalter on siehe unten)

Die niedrigen Werte im einstelligen mA-Bereich sind natürlich mit Vorsicht zu genießen, da hierbei Messungenauigkeiten mitspielen dürften.

Vorschau: LiPo-Rider, VDD mit LastVDD5 ist bei Switch auf on und ohne Last mit meinem Multimeter nicht messbar, mein Oszi zeigt einen Sägezahn an. Mit durchschnittlich 5.4V und etwa 5.8V Spitzenwert ist die Spannung ohne Last zwar eigentlich zu hoch, andererseits ist das nur die Leerlaufspannung. Problematischer ist, dass die Spannung mit Last viel zu niedrig ist. Mit meinem Handy dran fällt VDD5 auf ca. 4.2V und mit dem mbed sogar auf 4V - immerhin 20% unter den erwarteten 5V. Der Sägezahn ist mit angeschlossener Last nicht vorhanden. Die immerhin 3 normalen Kondensatoren (10nF, 100nF, 1µF) und 2 Elkos (10µF, 100µF) glätten den Output nach kurzem Einschwingen ganz hervorragend. Der DC/DC-Converter AIC1896 wird mit angeschlossener Last nach einiger Zeit sehr warm und beheizt die Platine rings herum, auch der USB-Out-Anschluss wird recht warm.

So wie ich das einschätze, ist der DC/DC-Converter AIC1896 totaler Schrott. Es gibt zahlreiche stabilere mit besserer Effektivität, die in größeren Stückzahlen eigentlich auch nur einige oder ein paar dutzend Cent mehr kosten dürften. Oder ist dieser Effekt bei mir doch nur eine Ausnahme und irgendwas defekt?

Falls jemand ähnliche Probleme bei sich festgestellt hat und dies hier zufällig liest, bitte einen Kommentar hinterlassen, danke!

6 Reaktionen zu “Solarlader für Lithium-Polymer-Akku (Li-Po Rider)”

  1. admin

    Die Tests gehen weiter. Heute (äh gestern) war unglaublich schönes Wetter, große Hitze und vor allem strahlender Sonnenschein. Ich hing also mein “solares Minikraftwerk” draußen ans Haus, der Akku war auf knappe 4.1V geladen und der Schalter für den Ausgang stand auf “off”. Bereits kurz nachdem die Sonne schräg auf die Zellen fiel (so gegen 13 Uhr) war der Akku mit 4.21V vollständig geladen und die grüne LED leuchtete.
    Weiterhin ohne angeschlossene Last stellte ich danach den Schalter auf “on” und solange die Sonne schien, blieb die grüne LED auch an. In den Abendstunden hatte ich vorübergehend nicht nachgesehen, vermute aber, dass bis zum Sonnenuntergang alles ok war. Gegen 22 Uhr (dunkel wird es momentan irgendwann zw. 20:00 Uhr und 20:30 Uhr) holte ich LiPo-Rider und Akku rein und schloß mein Multimeter am Akku an. Obwohl keine Last am LiPo-Rider hing, hatte sich bereits einiges vom Saft verflüchtigt. Seit dem liegt die Schaltung neben mir und aktuell (03:20 Uhr) hat der Akku nur noch 4.01V, also ohne Last am LiPo-Rider-Ausgang 0.2V weniger nach nur ca. 7h! Da ist es ja kein Wunder, dass ich zuvor mit reiner Solarladung den Akku selbst nach über einer Woche nicht voll bekommen hatte. Eine Messung des Stromverbrauchs ergab, dass der AIC1896 ohne Last zwischen 35 und 40mA Strom verbraucht, also fast so viel, wie ein ARM-Mikrocontroller LPC17xx bei um die 50 MHz.

    Ich hatte vorhin geguckt, ob ich den AIC1896 durch einen der mir bekannten brauchbaren DC/DC-Converter (z.B. MCP1252/1253, LTC3204-5, NCP1400A) ersetzen kann, aber das Pinout ist stets ein anderes. Zum Glück bekomme ich demnächst einige Platinen für Spannungswandler, werde dann in ein paar Wochen diese als Alternative anschließen und damit testen. Zwar können diese anderen Wandler nur deutlich weniger Strom herausgeben, dafür ist aber auch ihr Verbrauch wesentlich kleiner und man bekommt vor allem auch stabile Ausgangsspannungen hin.

  2. admin

    Ich habe bei einer kürzlichen Bestellung meine Probleme mit dem LiPo-Rider kundgetan und um Lieferung eines AIC1896 gebeten, tauschen würde ich den Chips selbst. Wenn ich den Chip anderswo bestellen könnte, hätte ich noch nicht mal reklamiert, einfach um Zeit zu sparen. Bisher ging ein wenig eMail-Verkehr hin und her, weil die Jungs scheinbar etwas misstrauisch sind. Dabei wollte ich denen nur Kosten sparen und statt des umständlichen Hin-und Herschickens das Ding selbst reparieren.

    Nunja, jedenfalls war nach der Spannung gefragt worden. Die obigen Werte brachten mich auch nicht weiter, da nur der Hinweis kam, dass Handys nicht geladen werden können, da der AIC1896 nur 350 mA bereitstellt. Mag sein, dass sich ein iPhone dran stört, mein HTC tut das jedenfalls nicht. Wie dem auch sei, dies war der Grund für das Basteln eines Mini-USB-Breakout-Kabels. Mit diesem ermittelte ich nunmehr sehr interessante Stromverbrauchswerte - wegen defektem Chip weit unterhalb der 350mA. Allerdings wundert mich, dass auch bei angeschlossener USB-Stromversorgung hinten viel zu wenig herauskommt, als ob auch der MOSFET ein Ding weg hat - komisch. Dabei werden aber nur der bewußte DC/DC-Converter und dessen Umgebung extrem warm.

    Für alle Bildern meines Versuchsaufbaus habe ich einen mbed bei 96 MHz mit Touch-TFT und ein ein wenig Kleinkram drum herum verwendet.
    Die Schaltung zieht 150-154 mA aus dem USB-Port. Mein defekter LiPo-Rider liefert bei angeschlossener USB-Stromversorgung nur ca. 110 mA, wodurch LPC+TFT nicht richtig hochkommen - das Display flackert nur immer wieder auf, aber für mehr reicht es nicht. Auf dem dritten Bild sieht man, dass mein LiPo-Rider ohne USB-Eingangsspannung am Ausgang (switch on) nur ca. 74 mA zur Verfügung stellt, also nur halb so viel, wie die Schaltung benötigt. Schon nach 2-3 Minuten ist die Platine rings um den DC/DC-Converter ordentlich aufgeheizt.

    Vorschau: mbed mit Touchdisplay Vorschau: LiPo-Rider gibt zu wenig Strom heraus Vorschau: defekter LiPo-Rider, wenig Saft und viel Wärme

    Hoffentlich reicht das jetzt für eine erfolgreiche Reklamation … Sicherheitshalber habe ich noch erwähnt, dass mein LiPo-Rider selbst dann recht warm wird, wenn ich nur eine Minischaltung mit 4-5mA Stromverbrauch dran habe.

  3. admin

    Sehr schön, die Bilder haben überzeugt und so bekomme ich mit meiner nächsten Bestellung 2x den AIC1896 und einen neuen LiPo-Rider geliefert. Mit anderen Worten: In ca. 3 Wochen gehen die Tests dann in die nächste und hoffentlich erfolgreichere Runde :)

    In etwa zu der Zeit werde ich dann auch meine LTC1768-Bibliotheken für das TFT-Touch-Shield von SeeedStudio veröffentlichen. Auf einem der obigen Bilder sieht man ja bereits, dass zumindest die Anzeige läuft. Ganz rund ist’s aber noch nicht und die Touchauswertung fehlt noch.

  4. admin

    Heute kamen frische Platinen an, mit dabei waren wie versprochen ein neuer LiPo-Rider und 2x AIC1896-Chips. Bereits vor einigen Tagen hatte ich mit der Lieferung des DSO Quad zwei dieser Chips erhalten - da hatte der Verpacker wohl meine Anfrage ohne weitere Worte zu verlieren gleich mit zwei Chips beantwortet - auch schön :) Jetzt fehlt nur noch die Zeit, einen der Chips im Format SOT23-6 als Ersatz für den wohl defekten auf den anderen LiPo-Rider zu löten. Ach ja, noch das Wichtigste:
    Der neue LiPo-Rider scheint hervorragend zu funktionieren. Zumindest bekommt dieser meine 150mA saugende mbed-Schaltung versorgt. Weitere Tests mache ich dann zusammen mit dem IC-Wechsel.

  5. Rafhlaoa

    Ich bin schon sehr auf die Testergebnisse gespannt. Wirklich faszinierend, was man so alles selber basteln kann, wenn man zum einen die richtige Ahnung dafür hat und zum anderen weiß, wo man alles günstig herbekommt.

  6. admin

    Der neue LiPo-Rider funktioniert wirklich tadellos und den alten defekten LiPo-Lader habe ich inzwischen auch repariert. Nach dem Tausch des AIC1896 funktioniert dieser halbwegs - Ursache für den defekten Chip war scheinbar ein Fehler im Schalter. Dieser hat nämlich einen starken Wackelkontakt und auch nochmaliges Verlöten half nicht weiter. Immerhin wird der DC-DC-Converter jetzt nicht mehr heiß, das Hauptproblem ist also behoben. Sollte ich irgendwann diesen zweiten LiPo-Lader nochmals benötigen, muss ich also nur den Schalter ersetzen oder schlicht entfernen und eine Brücke drüberlöten.

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