Alternative elektrische Generatoren haben gewisse Vorteile: Sie ermöglichen die Erzeugung elektrischer Energie aus (meist reichlich) vorhandenen Resourcen (Licht, Wind, Wasserbewegung, ... → genaugenommen alles Energie, die unser Zentralgestirn kontinuierlich abgibt), und die Unabhängigkeit von Energieversorgern, die einen Grossteil der gelieferten Energie aus "uralten" (und somit endlichen) "Speichern" von Solarenergie beziehen, "aufbereiten" und verteilen. Einmal angeschafft (oder selbst gebaut), liefert diese Art von Generatoren über einen meist recht lange Zeiträume "kostenlose" Energie.

Allerdings hat diese Art von Generatoren auch Nachteile: Die "Primärenergie" dieser Generatoren ist meist leider nicht kontinuierlich (konstant) verfügbar, daher geben diese Geräte auch nur zeitweise (und/oder schwankend) Energie ab. Hier wird also eine (kurzzeitige → einige Stunden/Tage) Speicherung der Energie notwendig. Für den Amateur bieten sich hier wohl nur entsprechende Akkumulatoren an... Da die meisten Arten von (modernen, kompakten) Akkumulatoren recht komplizierte Ladeverfahern benötigen, die bei schwankender Stromversorgung nur schwer zu realisieren sind, habe ich diese Konstruktion (erstmal) auf Blei(gel)-Akkus ausgelegt, denen eine (einigermassen) stabile Ladespannung "ausreicht".

Problemstellung:

Dieses Solarmodul (270x270mm, Umax 5.6V, Imax 1.2A, ca. 3Wp) soll dazu dienen, verschiedene Blei(Gel)Akkus möglichst effektiv zu laden. Eine entsprechende Schaltung habe ich schon einmal im Zuge meiner QRP-Stromversorgung entwickelt und aufgebaut. Jedoch ist deren Wirkungsgrad mit 35-60% doch "recht bescheiden" ausgefallen. Da ich mich bei der Entwicklung einiger -für andere Projekte benötigter- Spannungswandler ein wenig mit der Technik von Schaltwandlern beschäftigen musste, habe ich mir mittlerweile ein paar grundlegende Kenntnisse über die Eigenarten (und Tücken) dieser Schaltungen aneignen können (was leider einige Bauteile "gekostet" hat, die dabei in "Rauchpilzen" über meinem Bastelplatz aufgegangen sind). Die dabei gewonnenen Erkenntnisse (insbesondere der -bei entsprechendem Aufbau- erzielbare Wirkungsgrad) haben mich dazu bewegt, einen (etwas "trickreicheren") Spannungswandler speziell für die oben beschriebene Problematik zu entwickeln. Der Sinn dieser Schaltung sollte sein, möglichst unabhängig von der Eingangsspannung eine einigermaßen stabile Ausgangsspannung zu erzeugen, die ggf. bei zu hohem Ausgangsstrom (oder auch zu geringer Eingangsenergie) zusammenbrechen darf, aber immer das Maximum an (momentan) verfügbarer Leistung zur Erzeugung der "erwünschten" Ausgangsspannung aufwendet.

Funktionsweise eines Schaltwandlers (hier: Aufwärtswandler oder neudeutsch "Boost-Konverter"):

Zum besseren Verständnis der vorgestellten Schaltung hier ein kleiner Ausflug in die Theorie der "Aufwärtswandler", die dann eingesetzt werden, wenn eine höhere Ausgangspannung als die Eingangsspannung erforderlich wird und keine galvanische Trennung notwendig ist. Prinzipiell sind diese Art von Wandlern relativ primitiv aufgebaut: Zwei Kondensatoren, eine Induktivität, eine Diode und ein Schalttransistor. Doch wie funktioniert das? Und warum werden diese Dinger insbesondere von Funkamateuren "mit Skepsis betrachtet"? Was passiert denn, wenn man hier eine positive Gleichspannung am Eingang (U1) anlegt? C1 läd sich auf die Eingangsspannung auf. Da L einen nur geringen ohmschen Widerstand haben sollte, wird sich auch recht bald C2 über L und D auf U1 (minus die Durchlassspannung von D) aufgeladen haben. Die Ausgangsspannung dieser Schaltung (U2) ist also mindestens (ein wenig geringer als) die Eingangsspannung.
Nun schliesst Schalter S. Dadurch geht die Spannung über S auf (fast) Null, D1 sperrt, und es beginnt ein Strom (gespeist von C1 und dem Eingang) durch L zu fliessen, wobei sich ein Magnetfeld in L aufbaut. Die Sebstinduktion von L (und der Übergangswiderstand von S) "bremsen" diesen Vorgang (→ T = L/R). L wird (in der dargestellten Polarität) "magnetisch aufgeladen". Diese Aktion ist noch "HF-mäßig recht unkritisch", da die Selbstinduktion von L ein schnelles (hochfrequentes) Ansteigen des Stromes (und damit des Magnetfeldes) verhindert.
Nun öffnet Schalter S wieder. Da nun kein Strom mehr durch L fließ, bricht das Magnetfeld zusammen und erzeugt eine Spannung von umgekehrter Polarität über L. Da C1 nicht vollständig entladen wurde, und U1 noch anliegt, entsteht am Schalter S eine Spannung, die höher ist, als die Eingangsspannung. Daher schaltet D wieder durch, und leitet die Energie in C2, wobei der "Rückstrom" ebenfalls durch C1 fließt. Da dieser Stromkreis sehr niederohmig ist, können hierbei beträchtliche (>10A) Ströme fliessen!.
Der "Knackpunkt" dieser Schaltung (und auch die Ursache für die HF-Störungen, die eine solche Schaltung erzeugt) sind die hohen (und schnell ansteigenden) Impulsströme, die beim Öffnen des Schalters entstehen. Die Diode muss grosse Impulsströme "verkraften" und zudem noch "möglichst schnell" (Schaltgeschwindigkeit im ns-Bereich) sein. Eine "normale" Gleichrichterdiode wäre damit völlig überfordert: Bis ein "lahmer" Gleichrichter beim Ansteigen der Spannung am Schalter durchschaltet, ist die Spannung schon so weit angestiegen (→ Induktionsspitze), daß der Schalttransistor schon "durchgebrannt" ist. Auch die Kondensatoren werden stark belastet, werden hier nicht "impulsfeste" oder "Low-ESR"-Typen verwendet, ist eine Erwärmung (und ein späteres "Platzen") vorprogrammiert. Und dass die Induktivität bei "Aufladen" nicht in die Sättigung geraten darf, ist sicher auch verständlich. Nur wer sich dieser Umstände, Eigenarten und Tücken bewusst ist, und diese bei der Bauteilauswahl und dem Layout (→ HF) berücksichtigt, sollte sich an eine solche Schaltung heranwagen. Andernfalls ist von Frustration durch "abbrennende" Bauteile, "HF-Vermüllung", ... auszugehen.

Lösungsansatz:

Nach mehreren Experimenten (teilweise auch mit anderer Zielsetzung) mit "freischwingenden" Impulsoszillatoren, OpAmps, die den "Ladestrom" der Induktivität "messen", und einigen anderen "abenteuerlichen" Verfahren zur korrekten Impulserzeugung, habe ich mich bei diesem Projekt dazu entschlossen, einen PIC zur Impulserzeugung und Regelung zu verwenden. Da sich der Schaltungsaufwand in Grenzen halten sollte, und die Steuerung "möglichst universell" (und "wiederverwertbar") sein sollte, entschloß ich mich zu dem Typ "12F675", ein "Achtbeiner" mit integriertem (4MHz-)Taktoszillator, maximal sechs I/O-Pins (von denen bis zu vier als analoge Eingänge verwendet werden können), einem Timer, einem EEPROM-Bereich und einigem mehr, welches ich (bei diesem Projekt) nicht benötigte. Da ein Pin zur Steuerung des MOSFETs (IRF7413, Imax>10A, Ron=10mOhm, SO-8), und ein weiterer für einen "ordentlichen Reset" (ist bei dieser Schaltung aufgrund der möglicherweise sehr langsam steigenden/fallenden Betriebsspannung absolut notwendig) benötigt werden, blieben mir noch vier Pins "zur freien Verwendung". Da die Schaltung ja die Ausgangsspannung (zur Regelung) messen muss, und der Wert der Eingangsspannung Aufschluß über die momentan aus dem Generator verfügbare Energie gibt, blieben noch zwei Pins übrig. Da ich aus Erfahrung weiss, dass Informationen "aus dem Inneren des Steuerungsprogramms" (zumindest in der Anfangs/Debug-Phase) äusserst nützlich sind, belegte ich einen Pin schonmal als "Digital Out". Da auch eine Angabe zur Leistungsabgabe der Schaltung eine sehr nützliche Information ist, habe ich den letzten Pin zur "Messung des Ausgangsstroms" vorgesehen. Mit diesen "Grobdesign" konnte ich mich nun der Entwicklung der Schaltung widmen.

Betriebsspannung und Reset des PIC:

Da der PIC die Spannungswandlung steuert, ist dessen Spannungsversorgung ein sehr wichtiger Bestandteil, der möglichst gut von der schwankenden Eingangsspannung entkoppelt sein sollte. Der Controller benötigt laut Datenblatt (in der von mir vorgesehenen/benötigten Konfiguration) mindestens 3V. Bei der Verwendung "handelsüblicher" Spannungstabilisatoren, die mindestens 2V Spannungsabfall erzeugen/benötigen, wäre ein Betrieb erst ab 5V Eingangsspannung möglich. Da diese Schaltung jedoch schon bei geringeren Spannungen (wenn auch nur geringe) "Ausgangsleistung" bieten soll, war eine "Eigenkonstruktion" angesagt. Damit der für die "Spannungsreferenz" notwendige Strom gering (<300µA) bleibt, ohne daß die Kennlinie "extrem krumm" wird, habe ich hierfür einen Sperrschicht-FET (BF245B) verwendet. Entsprechende Messungen zeigten, daß die Regelkennlinie dieser Schaltung bei ca. 3V zwar noch etwas krumm ist, aber eine "brauchbare" Stabilisierung auf etwa 3.2V zu erreichen ist. Damit der PIC auch in kurzen (bei alternativen Generatoren häufig anzutreffenden) Phasen geringer Eingangsspannung/-leistung noch etwas weiter arbeiten kann, habe ich einen "Gold-Cap"-Kondensator (von 1F!) am Ausgang dieser Schaltung vorgesehen. Die in diesem Kondensator gepeicherte Energie genügt, um den Betrieb des Chips für eine Minute (im "Normalbetrieb" bei ca. 2-3mA Stromaufnahme) sicherzustellen. Im (energiesparenden) "Messmodus" des Programms (geschätzte Stromaufnahme <200µA, s.u.) erhöht sich diese Dauer auf mehr als eine Viertelstunde. Damit Tests mit dieser Schaltung nicht zu langweilig werden, habe ich im Layout eine Lötbrücke in der Zuleitung zu dem "USV-Kondensator" vorgesehen...

Die im ersten Prototyp verwendete Resetschaltung (nach Empfehlung des Chipherstellers "bei zu langsam ansteigender Betriebsspannung zu verwenden"), erwies sich als "nur bedingt verwendbar". Vermutlich ist beim Design niemand davon ausgegangen, daß es (so seltsame) Applikationen geben könnte, bei denen die Betriebsspannung u.U. mehrere Minuten lang im Bereich der Schaltschwelle (±30mV) liegen kann. Daher musste ich diesem Schaltungsteil noch "eine gewisse Triggereigenschaft" und "ein wenig Hysterese" hinzufügen (gelb gezeichnete Bauteile). So ganz optimal ist diese Schaltung noch nicht, aber sie funktioniert, und verbraucht wenig Strom (<100µA).

Das Steuerungprogramm:

Das Programm ist so ausgelegt, daß es beim Start (nach dem Reset) alle "stromfressenden" Schaltungsteile des PIC (Komperator, Referenzspannung, A/D-Wandler) erst einmal abschaltet. Der Stromverbrauch sollte in diesem Zustand dann unter 1mA betragen. Aber auch das lässt sich weiter reduzieren: Der Controller kann (auf Anweisung des Programms) in einen "Schlafmodus" versetzt werden, im dem die Stromaufnahme nur noch einige µA beträgt. Aus diesem Modus wird der Prozessor mittels eines internen Timers jede Sekunde einmal kurz "geweckt", um seinen A/D-Wandler zu aktivieren, und eine Messung der Eingangspannung der Schaltung vorzunehmen. Dieser Vorgang dauert etwa 30µs, und die Stromaufnahme beträgt dabei weniger als 3mA. Dieser Impuls sollte vom Stützkondensator problemlos geliefert werden können. Wird in diesem (auf "Minimalverbrauch" optimieren) "Messmodus" festgestellt, dass die Eingangsspannung der Schaltung (und damit die Ladung des Eingangskondensators) ausreichen müsste, um testweise ein paar kurze Schaltimpulse auszulösen, bleibt der PIC im "Wachzustand" und gibt in einem Intervall von 104µs (diese "krumme" Dauer hat seinen Grund, siehe weiter unten) minimal kurze (3µs) Impulse auf den Schalttransistor. Direkt nach jedem Impuls wird gemessen, ob die Spannung am Eingangskondensator durch den Impuls nicht zu weit zusammengebrochen ist (bzw. ob der Generator genügend schnell "nachladen kann"). Unterschreitet die Spannung einen im Programm voreingestellten Wert, verlässt das Programm sofort diesen "Startmodus" und kehrt wieder in den (stromsparenden) "Messmodus" zurück. Stellt sich in diesem Modus (nach insgesamt 512 "Testimpulsen") heraus, dass der Generator anscheinend genügend Energie liefern kann, um einen Wandlerbetrieb ohne sofortiges Zusammenbrechen der Eingangsspannung aufzunehmen, schaltet das Progamm in den "Arbeitsmodus": Nun wird in einem Intervall von 244µs (auch dieser krumme Wert hat seinen Sinn → siehe weiter unten) ein Schaltimpuls mit einer Länge von 3 bis ca. 120µs ausgelöst, während kontinuierlich (pro Impuls abwechselnd) die Spannung am Eingangs- und Ausgangskondensator, sowie die Spannung am Ausgang der Gesamtschaltung gemessen wird. Ein kleiner Widerstand -hier: 0.25Ohm- zwischen Ausgangskondensator und Ausgang der Schaltung liefert Information über den aktuell abgegebenen Strom. Die gemessene Ausgangsspannung wird mit einem (im Programm festgelegten) Wert verglichen, und die Länge der Schaltimpulse entsprechend angepasst. Nach jeder Messung der Spannung am Eingangskondensator (direkt nach einem Impuls) wird diese mit einem Minimalwert verglichen. Unterschreitet die Spannung diesen Minimalwert, wird (unabhängig von der "Meinung" der Regelung) die Impulsbreite reduziert, um den (auch die Betriebsspannung des Controllers bereitstellende) Generator nicht zu überlasten und einen sicheren (Minimal-)Betrieb zu gewährleisten ("Limiting-Betrieb"). Dieser Mechanismus führt zwar dazu, dass die "erwünschte" Ausgangspannung nicht mehr erreicht wird, dafür bleibt der Wandler aber "am Laufen". Ist die minimale Pulsbreite jedoch erreicht (und kann daher von diesem "Lebenserhaltungmechanismus" nicht weiter reduziert werden), schaltet das Programm wieder (in der "Hoffnung auf bessere Zeiten") in den stromsparenden "Messmodus" zurück.

Realisierung:

Die Schaltungsentwicklung habe ich mittels der "Freeware"-Version von Eagle (reicht für meine Zwecke völlig aus) vorgenommen. Als "Speicherinduktivität" des Prototypen habe ich eine "High Current Suppression Coil" mit Ferritkern (100µH, 150mΩ) vorgesehen. Da diese Induktivität wohl eher zur Siebung von Gleichströmen vorgesehen ist, gehe ich davon aus, daß bei dem angegebenen Strom von 2.5A noch keine Sättigung des Kernes auftritt, denn sonst würde sich der Effekt der Drossel bei diesem Strom verringern. Bei einem geschätzten, zusätzlichen "Leitungswiderstand" (MOSFET, Zuleitungen des Eingangskondensators, Leiterbahnen, Lötstellen) von 70mΩ ergibt sich daraus eine Zeitkonstante von 455µs (τ = L/R). Bei einer angenommenen Eingangsspannung von 4.5V beträgt der theoretische Maximalstrom somit etwa 20A (I = U/R). Daraus ergibt sich eine maximale Einschaltzeit des MOSFET von 61µs (t = -ln( 1 - I/Imax) × τ), damit der Maximalstrom der Induktivität nicht überschritten (und mglw. der Sättigungbereich erreicht wird). Das wären dann 313µWs pro Impuls (W = ½ × L × I²). Bei 4096 Impulsen pro Sekunde würden damit etwa 1.3Ws "durchgereicht", was bei einer Ausgangspannung von knapp 14V einen Strom von 93mA entspricht. Dieser theoretische Wert wäre mir "etwas zu wenig". Mal sehen, was die ersten Messungen so ergeben. Vieleicht kann ja der Kern auch "etwas mehr verkraften"... Ansonsten muss ich doch eine andere Speicherdrossel verwenden.

Beim Layout habe ich versucht, die impulsstromführenden Leiterbahnen möglichst nahe (in "Gegenrichtung") nebeneinander zu legen, und möglichst breite Leiterbahnen an den Stellen zu verwenden, wo die höchsten Ströme fliessen (und die Bauteile " es verkraften" können). Die Ein- und Ausgangskondensatoren des Prototypen habe ich aus Kombinationen von Elkos mit radialen Anschlüssen (haben meist ein geringeres ESR als die axiale Bauform, "Low-ESR"-Typen hatte ich nicht griffbereit), impulsfesten (spannungmäßig überdimensionierten, waren griffbereit) "FKP"-, und "MKS-2"-Kondensatoren zusammengesetzt. An den Ein- und Ausgängen der Schaltung habe ich "in weiser Voraussicht" (→ EMV) Siebdrosseln und weitere Kondensatorkombinationen (MKS-2 und keramisch) vorgesehen. Der "Steuerungsteil" ist zwar mit einer Massefläche versehen, diese dient aber mehr der Verrinngerung der wegzuätzenden Kupfermenge, als zur Abschirmung. Dieser Bereich ist mit eher schmaleren Leiterbahnen an den "Leistungsbereich" angeschlossen, um (durch den etwas erhöhten Leiterbahnwiderstand) die Wirksamkeit der Siebung zu erhöhen.

Messungen am Prototypen:

Nach einigem "Debugging" des Steuerungsprogramms, Modifikationen des "Timings", und des Regelverfahrens (welches am Anfang zu heftigen Regelschwingungen führte), war es an der Zeit, einmal einige "Messreihen" aufzunehmen, um die Eigenschaften (und "Leistungsfähigkeit") dieses Spannungswandler "sichtbar zu machen". Dazu speiste ich den Wandler aus einem Labornetzteil über einen Vorwiderstand (simulierter Innenwiderstand des Generators), und belastete den Ausgang mit einer Kette aus 39Ω/¼W-Widerständen (waren grad "vorhanden"), um verschiedene "Lastsituationen" zu simulieren. Durch die zusätzliche Messung der Stromaufnahme aus dem Labornetzteil liess sich nebenbei sogar der Wirkungsgrad berechenen.

Der erste unbeaufsichtigte Probelauf:

Nach diesen Messungen wurde es Zeit, einen ersten Testbetrieb aufzunehmen. Da es draussen so langsam wieder heller wurde (Anfang März), entnahm ich das kleine Solarpanel (ca. 5V, geschätzte Maximalleistung ca. 3W) aus meinem QRP-Koffer, montierte es auf dem Balkon, und legte eine Leitung ins Shack. Auch die beiden Bleigelakkus (12V, 1.2Ah) aus dem Koffer sollten sich für einen ersten Test sehr gut eignen. Also: Früh morgens alles angeschlossen, mit einem etwas mulmigen Gefühl im Bauch ("hoffentlich brennt die Schaltung nicht ab, und zündet mir die Hütte an") zum QRL gefahren... Nach Feierabend war noch alles heil, und das Amperemeter in der Zuleitung zum Akku zeigte einen Ladestrom von 10mA an. Ok, nicht viel, aber sonderlich hell war es draussen ja auch nicht mehr. Zu meinem Erstaunen dauerte es fast bis zum Sonnenuntergang, bis die Regelung "aufgab", und wieder in den "Messmodus" schaltete. Anhand der Akkuspannung (12.7V) liess sich abschätzen, daß der Akku nun "recht voll" war. Nun musste ich die gewonnene Energie aber auch wieder verbrauchen, damit ich am nächsten Morgen auch einen Akkus hatte, der die von dem Solarpanel gelieferte Energie auch aufnehmen konnte. Einfach die Energie an einer Glühbirne "verbraten"? Nein, etwas "sinnvoller" sollte es schon sein! Was liegt denn näher, als das Funkequipment damit zu versorgen? Der Versuch, mein FT-817, welches ich während meiner Bastelzeiten (bis zu 4Std. wochentags) meist auf einer Relaisfrequenz "mitlaufen" lasse, als "Verbraucher" zu verwenden, erwies sich als ungeeignet → Dieses Gerät verbraucht im Empfangsfall (UHF, Squelch geschlossen) schon knapp 500mA, und zapft ggf. "unbemerkt" den eingebauten Akku an → definitiv zu viel für meine 1.2Ah-Akkus bei der vorgesehenen täglichen Laufzeit. Aber mein DJ-G7 erwies sich als "gut geeignet" für diesen Zweck → kontinuierlich im Ladeadapter stehend, verbraucht dieses Gerät durchschnittlich (Stromaufnahme schwankt) ca. 80mA. Nach einem QSO (Gerät aus dem Adapter entnommen) wird der eingebaute Akku durch den Standlader wieder nachgeladen (Stromaufnahme nicht genau zu ermitteln, da kontinuierlich schwankend), was zu einem mittleren Verbrauch von (geschätzen) 120-150mA führt. Optimal, und nun kann ich sogar auf zwei (VHF/UHF/SHF) Frequenzen QRV sein... Aber wieviel Energie liefert mein Solarmodul nun wirklich? Eine "Datenerfassung" muss her...

Eine primitive "Datenerfassung":

Die schon in der Anfangsphase dieses Projektes berücksichtigte (und das seltsame Timing verursachende) "Datenerfassung" wurde nun im Steuerungsprogramm eingebaut (und wird vom Microcontroller "nebenbei betrieben" ): Jede Sekunde im Arbeitsmodus werden zwei Zähler aktualisiert: Einer für die Gesamtzeit in diesem Modus, und ein Weiterer, der nur inkrementiert wird, falls innerhalb der vergangenen Sekunde die Steuerung festgestellt hat, daß die aktuelle Pulsweite (→ Ausgangsleistung) zu groß ist, um eine verlässliche Spannungsversorgung für den Controller sicherzustellen ("Limiting-Betrieb"), und dementsprechend in die Regelung eingegriffen hat. Zusätzlich wird ein Wert für den abgegebenen Strom aufsummiert. Diese Funktionalität benötigt natürlich eine Angabe, wann denn eine Sekunde Betriebszeit verstrichen ist. Dies ist der Grund für den Impulsabstand von 244µs im Arbeitsmodus: 4096 (entspricht 2¹², einer Binärzahl, durch die das Programm sehr einfach teilen kann → Zeitaufwand) Impulse entsprechen recht genau einer Sekunde. Damit die "gewonnenen" Daten einen Ausfall der Betriebsspannung "überstehen können", werden sie bei absinkender Eingangsspannung in das EEPROM des PICs geschrieben (die Daten im RAM würden beim Absinken der Betriebsspannung ja verlorengehen). Ok, die Daten werden nun gespeichert, nur zum Auslesen müsste der PIC in einen Programmieradapter gesteckt und ausgelesen werden → ziemlich unpraktisch. Daher habe ich im Startmodus (zwischen den beiden "Impulspaketen" von jeweils 256 Impulsen) eine serielle Ausgabe der gepeicherten Daten vorgesehen. Die letzen 16 gespeicherten Datensätze (mehr Platz bietet das EEPROM des Controller nicht) werden zu diesem Zeitpunkt seriell (als "halbwegs lesbare" -und z.B. mit einem Terminalprogramm speicherbare- Informationen im Hexadezimalformat) mit 9600Bd ausgegeben. Dies ist auch der Grund, warum die "Testimpulse" im Startmodus ein Interval von 104µs haben: Diese Dauer ist ziemlich genau der "Bitzellenabstand" bei 9600Bd (Ausgabe einer Bitzelle pro "Testimpuls"). Diese "Aufzeichnungsmethode" hat jedoch (noch) ihre Nachteile: Das "Auseinanderklamüsern" der Hexadezimalziffern (mittels Taschenrechner) ist recht umständlich → Vielleicht schreibe ich mal ein Shellscript (oder ein Programm?) dafür... Ausserdem ist der Wert für den abgegebenen Strom aufgrund der geringen Spannungsdifferenz "hinter den entsprechenden Spannungteilern" sehr ungenau (eher ein "gemitteltes Digitalisierungsrauschen", als ein echter Messwert). Zur Verbesserung dieses Punktes ist jedoch eine (wohl recht umfangreiche) Schaltungsänderung notwendig... Trotz der prinzipbedingten Ungenauigkeit scheinen die aufgezeichneten Daten "so etwa" mit meinen Beobachtungen, Messwerten und erzielten "Akkufüllständen" überein zu stimmen. Danach kommen pro Tag (März/April, schon hell, aber meist bewökt) Laufzeiten zwischen sieben und zwölf Stunden, und Ladungsabgaben zwischen 200 und 900mAh zusammen → mehr als genug für meine Relaisfunkaktivität. Gelegentlich sind beide Akkus voll, dann speise ich mit dem Wandler meinen Notstromakku, aus dem ich u.a. das FT-817 (für Kurzwellenaktivität) versorge. Das Stationsnetzteil habe ich schon eine ganze Weile nicht mehr benötigt...

Die schon befürchteten EMV-Effekte:

Nachdem der Prototyp (der sicher noch einige Unzulänglichkeiten aufweist) über zwei Wochen lang (mit "wüster Testverkabelung") als Platine im Montageschraubstock überdauert (nicht "abgebrannt", nützliche Dienste erwiesen, und interesante Infos "geliefert") hatte, war es nun an der Zeit, die Schaltung in ein abgeschirmtes Gehäuse zu verfrachten. Denn während die Schaltung tagsüber (wenn es "Energie gab") lief, war an "brauchbaren Kurzwellenempfang" nicht zu denken... Einige Messungen mittels H- und E-Feldsonden (nach DL7AV und DJ5OY → CQDL 6/1999) im Abstand von etwa 20cm ergaben, daß die H-Feldkomponente inbesondere im Frequenzbereich unter 1MHz (unteres Diagramm), und die E-Feldkomponente im Frequenzbereich von 28 bis 35MHz (oberes Diagramm) nicht unerhebliche Störungen aufwiesen, wenn der Wandler arbeitete. Zur Aufnahme der Diagramme habe ich jeweils zwei Messungen (einmal mit, und einmal ohne laufenden Wandler) vorgenommen, und mir dann die Differenz anzeigen lassen. Bei den Messungen war es notwendig, die Maximalwertspeicherung zu aktivieren, denn ohne diese Einstellung waren nur sehr vereinzelte, schmale, und ständig an verschiedenen Frequenzen auftauchende Spitzen zu sehen. Ist das vielleicht eine Folge meiner Regelungsmethode, bei der u.U. bei jedem zweiten Impuls die Impulsbreite verändert wird?
Also fragte ich im QRPForum nach, welches Gehäusematerial sich in einem solchen Fall am Besten eigenen würde. Wie schon befürchtet, kam dabei heraus, dass sich Eisen/Stahlblech besser als Aluminium für diese Anwendung eignet. Alugehäuse hatte ich in verschiedenen Formen/Grössen "vorrätig", nur bei Stahlblech "sah es dünne aus"... Eine kurze Recherche bei den "mir gewohnten" Anbietern von Gehäusen ergab, dass die "HF-Gehäuse" nur mit einer maximalen Tiefe verfügbar waren, die knapp unter der Höhe meiner (überdimensionierten) Kondensatoren lag... Da ich keinerlei Lust verspürte, mich bei anderen Anbietern durch umständliche Anmeldeprozeduren zu kämpfen, ggf. als Erstbesteller wochenlang auf das Material zu warten (→ umständliche, aber aus der Sicht des Verkäufers nachvollziehbare Zahlungsprozedur), um dann mglw. festzustellen, dass meine persönlichen Angaben an Spammer (sowohl die "elektronischen", als auch in die "in Papierform") weitergegeben wurden, entschloss ich mich, lieber in den nächsten Baumarkt zu gehen, um dort (anonym genug) eine Blechschere zu erwerben. Mit Hilfe dieses (und meines vorhandenen) Werkzeugs gelang es mir (erstaunlicherweise mit nur geringen Verletzungen) eine achteckige Keksdose in ein (nicht sonderlich schönes, aber brauchbares) viereckiges Gehäuse der benötigten Tiefe "umzuarbeiten". Das verwendete Material ist war recht dünn, aber ich hoffte, dass die Qualität (HF-mässig) "schlecht genug" ist, um eine brauchbare Abschirmung zu erreichen. Eine weitere Messung des H-Feldes ergab schon einmal eine Dämpfung von ca. 20dB. Das ebenfalls gemessene E-Feld zeigte sich recht unbeeindruckt von dem Gehäuse. Es verringerte sich nur minimal, aber verbreiterte sich → Kapazitäten gegenüber dem Gehäuse?.
Ich musste also davon ausgehen, dass die "HF-Saurei" nicht direkt von der Schaltung herrührt, sondern eher von den Anschlussleitungen abgestrahlt wird. Eine Untersuchung mittels Oszilloskop zeigte auf der Eingangsseite zwar Schwankungen der Spannung von gut 100mV, jedoch mit "recht runder" Kurvenform und im (NF-)Schalttakt (Ladung und Entladung des Eingangskondensators). Auf dem Ausgangssignal war ausser einer kleinen Spitze (jeweils zum Zeitpunkt des Abschaltens des MOSFETs) nichts zu erkennen. Erst als ich mir diese harmlos anmutende Spitze mit schnellerer Ablenkung betrachtete, wurde mir so einiges klar: "Wüstes Geschwinge" mit etwa 200mVss und geschätzten 30Mhz. Kein Wunder also, dass ich auf 10m einen heftigen "Rauschteppich" über das gesamte Band hatte... Aber für solche Fälle gibt es ja komplette T-Filter als relativ kostengünstige Bauteile (die einigen kommerziellen Herstellern, die "billigste Konsumelektronik" anbieten, anscheinend nicht bekannt -oder zu teuer- sind). Zwei solcher Filter (eines bedrahtet, eines in SMD-Ausführung) hintereinandergeschaltet (natürlich mit jeweils "eigener Masseleitung") direkt vor die Ausgangsklemmen geschaltet, zeigten deutliche Wirkung: Bei der E-Feldmessung war nichts mehr von dem "Störspektum" bei 30MHz zu sehen, das Oszillogramm der Ausgangsspannung zeigte nun abklingende Schwingungen von ca. 13kHz (ok, der Bereich ist ja mittlerweile hoffnunglos "verseucht") und nur noch eine minimale "Zacke", die aus einer einzelnen, gedämpften Schwingung von etwa 1MHz bestand. Die Störungen im 10m-Band liegen nun bei S5 (bei Empfang mittels Aktivloop). Das ist ein Wert, den mein LCD-Monitor (über 10 Jahre alt, war damals "sauteuer", und ist noch "halbwegs ordentlich" gebaut worden) nicht unterbieten kann. Ein Überbrücken des "Strommesswiderstandes" mittels 20nF und Einbau von jeweils 10nF (keramisch, gegen das Gehäuse) an jeder der vier Anschlußklemmen "brachten" nochmals mehr als 6dB. Nun kann ich (bei dem "hier üblichen" Störpegeln) nicht mehr unterscheiden, ob mein Wandler läuft, oder einer meiner (etwa einhundert) Nachbarn seine "Billigelektronik" eingeschaltet hat. Ich habe zumindest etwas getan, um Störungen zu vermeiden...
Da ich schon einmal beim Messen (und Meutern) bin: Hier ein kleines Beispiel für die "üblichen Störungen": Dieses Diagramm wurde mit exakt dem gleichen Messverfahren (E-Feld) aufgenommen. Es zeigt den "HF-Müll", der von einer gedimmten (eingebauter Dimmer, vom Discounter erstandenen) Schreibtisch-Halogenlampe (bei etwa der doppelten Entfernung zur Messsonde) erzeugt wird. Das Ding wird demnächst durch eine LED-Zeile (24V) mit vorgeschalteten, regelbarem Eigenbau-Wandler ersetzt. Vielleicht lassen sich ja noch ein paar Bauteile davon "recyclen"...

Zusammenfassung:

	Das nebenstehende Bild zeigt den Inhalt der Wandlerbox kurz vor dem Verlöten des Gehäusedeckels. Bei der kleinen Schaltung auf Lochrasterplatte handelt es sich um einen primitiven RS232-Pegelwandler mit galvanischer Trennung, der bei Bedarf (Auslesen der gespeicherten Datensätze) mit einer externen 9V-Blockbatterie versorgt wird.
	Bei guter Beleuchtung des Solarmoduls (auch im April gibt es schon "sonnige Momente") konnte ich Ladeströme > 200mA (bei ca. 13V Ausgangsspannung) messen. Also scheint das Solarmodul doch einen geringeren Innenwiderstand zu haben, als bisher angenommen. Ob diese Ausgangsleistung von ca. 2.6W nun schon "das Ende der Fahnenstange" darstellt, vermag ich noch nicht zu sagen. Jedenfalls genügt die so "gewonnene" Energie, um meinen alltäglichen VHF/UHF/SHF-Funkbetrieb zu versorgen. Und auch für den KW-Betrieb am Wochenende sollte die "überschüssige" Energie, mit der der Notstromakku geladen wird, wohl ausreichen. Das einzig lästige dabei ist nur das Umstecken der verschiedenen, zu ladenden Akkus (je nach Ladezustand). Dazu werde ich mir wohl noch was einfallen lassen müssen...
Schaltplan (V0.1) im Eagle-Format Erste Schaltung. Schaltplan (V0.2) Die Schaltung, die ich momentan betreibe. Layout (V0.1) im Eagle-Format Erstes Layout (bei mir mit "Hardwaremodifikationen" im Einsatz). Layout (V0.2) Erweitertes Layout (bei mir noch nicht im Einsatz). Quellcode des Steuerungprogramms Aktuell eingesetztes Steuerungsprogramm (Unter GPL-Lizenz). Hexfile des Steuerungprogramms Aktuell eingesetztes Steuerungsprogramm (Ebenfalls unter GPL).

Reaktionen und mir bekannt gewordene Nachbauten/Verwertungen/Anwendungen:

Ingo (DK3RED) hat diese Seite schon kurz nach der Veröffentlichung entdeckt, und nachgefragt, ob er daraus einen Beitrag für den QRP-Report erzeugen darf. Natürlich habe ich eingewilligt, und so ist es möglich geworden, diese Seite auch in gedruckter Form zu lesen (QRP-Report 2/2010 und 3/2010). Danke, Ingo!

Tom (DC7GB) hat den "StepUp-Ansatz" dieser Schaltung übernommen, und konnte damit seinen Solarlader verbessern. Dieser nette Kontakt und Informationsaustausch hat auch mir einige Anregungen für Verbesserungen und weitere Projekte in dieser Richtung erbracht.

Firma Apple hat laut einem Bericht vom 12.1.2011 ein Patent auf das hier vorgestellte Verfahren (Step-Up-Wandler an einem Solarmodul, um einen Akku zu laden) erhalten (tnx, Tom). Ob das jedoch irgendeinen Bezug zu dieser Seite hat, wage ich doch zu bezweifeln...

Update: Roland (DF8IW) sendete mir die drei Patentbezeichnungen "US000007514900B2", "US000007868582B2", "US000008217619B2", und einen Link zum Herunterladen der entsprechenden Dokumente. Da sich mein Browser jedoch weigerte, mir unter diesem Link etwas Sinnvolles anzuzeigen, habe ich meine bevorzugte Quelle für Patentschriften verwendet, um mir die entsprechenden Dokumente zu beschaffen. Ergebnis: Der oben erwähnte Artikel bezieht sich wahrscheinlich (→Datum) auf "US8217619". Jedoch in "US7514900" (vergeben am 7. April 2009, also etwa ein Jahr vor der Erstellung dieser Webseite) ist ein Schaltplan (als "Fig.2A") aufgeführt, der "meinem" Schaltplan (bis auf den Laderegler) exakt entspricht. Fairerweise ist dieser Plan dort schon als "Prior Art" bezeichnet, d.h. "Stand der Technik" (→"öffentlich verfügbar"?), und damit nicht neu/patentierungswürdig. Ich brauche mir also keine Gedanken mehr darüber zu machen, ob nicht vielleicht doch ein Großkonzern mittels meiner Veröffentlichung Geld scheffelt... Danke, Roland.

Hinweise für Nachbauwillige:

Hierbei handelt es sich definitiv nicht um ein Projekt im Stil "Nachbauen und funktioniert". Die hier beschriebene Konstruktion funktioniert bei mir, unter den beschriebenen Bedingungen. Ob das unter anderen Bedingungen auch so ist, vermag ich nicht zu sagen. Wer diesen Wandler nachbauen möchte, sollte über die Möglichkeiten der Herstellung einseitiger Leiterplatten und der Programmierung von PICs verfügen. Kenntnisse der angewendeten Schaltungstechnik und der Assemblersprache des PICs (ggf. ist eine Anpassung des Steuerungsprogramms notwendig), sowie der benötigten Messtechnik sind sicher vorteilhaft. Es handelt sich hierbei nicht um einen Bausatz, sondern eher um eine Anregung für eigene Konstruktionen. Alles, was ich dazu anbieten kann, befindet sich auf dieser Seite, d.h. Nachfragen nach Bausätzen, fertigen Leiterplatten oder programmierten PIC-Controllern sind zwecklos → Ich "produziere" ausschliesslich für den Eigenbedarf.

Für die Funktionalität und Nachbausicherheit dieses Gerätes kann ich keinerlei Verantwortung übernehmen. Eine kommerzielle Verwertung des Schaltplans oder des Layouts ist nur mit meiner ausdrücklichen Genehmigung zulässig. Das PIC-Programm unterliegt der "GNU Public License".

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