Auch QRP-Equipment benötigt eine (möglichst portable) Stromversorgung. Der im FT-817 eingebaute Akku (9.6V, 1.4Ah) ermöglicht zwar einige Stunden Empfangsbetrieb, nur wenn Sendebetrieb dazu kommt, ist (selbst bei reduzierter Sendeleistung) die Energie recht bald aufgebraucht, und die Akkus müssen (einige Stunden) wieder aufgeladen werden, wozu ein Netzanschluß oder eine 12V- (13.8V- ?) Stromversorgung (ggf. Autobatterie) notwendig ist. Das ist einfach kein schöner Zustand, wenn man mal etwas länger (ausserhalb der Zivilisation) unterwegs ist. Daher galt es, einerseits die "Lagerkapazität für Energie" zu erhöhen (wobei das ganze noch "tragbar" sein sollte), andererseits eine Möglichkeit zu schaffen, die Akkus auch ohne Netzanschluss zu laden.

Meine erste Idee war die Verwendung von NiCd- oder NiMH-Akkus, da diese bei recht geringem Gewicht mittlerweile mit erstaunlichen Kapazitäten zu bekommen sind. Jedoch müssen beim Laden dieser Akkutypen einige Parameter (z.B. Ladestrom, Dauer und aktueller Ladezustand) sehr genau beachtet werden. Ausserdem ist die Ladeschluß-Spannung nicht unbedingt konstant, was den Einsatz von speziellen Ladeschaltungen erfordert. Und genau aus diesem Grund hatte ich schon die (gewichtsmässig noch günstigeren) Li-Ionen-Akkus ausgeschlossen. Also blieben nur noch die "guten alten" Bleiakkus übrig, die zwar um einiges schwerer, aber eben auch wesentlich robuster sind (und auch mal eine kurzzeitige Überladung oder Tiefentladung nicht sofort übelnehmen). Dieser Akkutyp wird mit einer konstanten Spannung geladen und nimmt einfach keinen Strom mehr aus der Ladeschaltung auf, wenn die Ladung abgeschlossen ist. Glücklicherweise gibt es diese Akkus auch in einer Gel-Variante, die lageunabhängig einsetzbar ist und bei der (unter normalen Umständen) auch keine Schwefelsäure austreten kann. Einen (für mich) guten Kompromiss zwischen Gewicht (Größe) und Kapazität stellten zwei Akkus mit je 12V, 1.3Ah und 590 Gramm dar, womit sich die mögliche maximale Betriebsdauer (incl. der im Transceiver eingebauten Akkus) etwa verdreifachen sollte. Zur Aufteilung der Gesamtkapazität auf zwei Akkus bewegten mich mehrere Gründe: Einerseits muss ich bewusst von einem auf den anderen Akku umschalten, wenn die Energie zu Neige geht, was mich entsprechend vorwarnt, daß der "Vorrat" bald erschöpft sein wird. Andererseits können eventuelle Störungen auf der Ladespannung nicht zum Transceiver gelangen, da immer ein Akku geladen wird, während der Andere den Transceiver versorgt. Ausserdem besteht immer noch die Möglichkeit, nur einem Akku zu verwenden, während der Andere ausgebaut ist und ggf. "extern" geladen wird.

Als Ladestromquelle hatte ich ein kleines (270 x 270mm) Solarpanel vorgesehen, welches bei einem Springbrunnen-Projekt übrig gebleiben war und somit recht nutzlos in einem der Kartons "Teile für spätere Verwendung" herumlag. Dieses kleine Panel passte von Gewicht und Größe sehr gut zu den anderen QRP-Komponenten, war jedoch nur für eine Ausgangsspannung von ca. 5V ausgelegt. Also musste ein Spanungswandler her. Die meisten (von mir gefundenen) kommerziellen DC/DC-Wandler haben eine geregelte Ausgangsspannung von 12V, was zum vollständigen Laden von Bleiakkus nicht ausreicht. Ausserdem ist es unklar, wieviel "HF-Müll" diese Dinger von sich geben. Also baue ich den Wandler doch lieber selber, dann kann ich die Spezifikationen selber definieren und habe auch die "Störfreudigkeit" ggf. besser im Griff. Dafür musste ich erstmal grob die Daten des Solarpanels bestimmen: Die Zellen lieferten bei kräftiger Sonnenbeleuchtung etwa 5.6V Leerlaufspannung und ca. 1.2A Kurzschlußstrom, bei bedecktem Himmel waren ca. 4V im Leerlauf und 27mA bei Kurzschluß zu messen. Weitere Messungen mit verschiedenen Lastwiderständen ergaben den Verlauf des Innenwiderstands bei klarem Himmel und Nachmittagssonne. Aus diesen Daten lies sich ablesen, daß das Panel bei Leistungsanpassung so etwa 3W abgeben kann. Meine ersten Überlegungen zu dem DC/DC-Wandler zielten auf eine Schaltung, bei der mehrere Kondensatoren von der Spannungsversorgung aufgeladen und dann durch eine trickreiche Umschaltung und Kombination mittels MOSFET-Transistoren eine erhöhte Ausgangspannung liefern sollte. Diesen Ansatz habe ich jedoch aufgrund der notwendigen, recht hohen Steuerspannung (einige V) der MOSFET-Transistoren und des angenommenen Eigenstrombedarfs der Steuerungslogik recht bald verworfen. Also kam ich doch auf den "klassischen Sperrschwinger" zurück, was ich aufgrund der Befürchtung von HF-Störungen eigentlich vermeiden wollte.

Um einen erträglichen Wirkungsgrad bei möglichst geringem Störpegel zu erreichen, entschloß ich mich zu einer Gegentaktschaltung, die im unteren NF-Bereich arbeiten sollte. Um eine für diesen Frequenzbereich ausreichend große Induktivität (-> niedrige Frequenz) zu erreichen, wählte ich einen Ferritkern (mit ausreichend hohem AL-Wert, ein Eisenpulver-Kern ist hierfür unbrauchbar) vom Typ "FT50-77", der die geforderten ca. 3W problemlos verkraften sollte. Als Schalttransistoren wählte ich bipolare Transistoren vom Typ "BD711", von denen sich noch einige in meinem Vorrat befanden. Von der Verwendung von MOSFETs habe ich Abstand genommen, da diese doch recht empfindlich auf etwaige Spannungspitzen reagieren, die bei dieser Art von Schaltungen fast unweigerlich auftreten. Bei den Experimenten mit verschiedenen Windungszahlen für die Primär- und die Rückkopplungswicklung fiel mir auf, daß die Schwingungsformen auf dem Oszillografen immer seltsam unsymetrisch aussahen und bei kräftiger (> 5W) Belastung meist nur einer der Transistoren warm wurde. Wie kann das bei einer völlig symetrischen Schaltung sein ? Das Nachmessen der Stromverstärkung der Transistoren offenbarte mir dann die Ursache. Also durchforstete ich meinen BD711-Vorrat nach zwei Transistoren mit (annähernd) gleicher Stromverstärkung: von 7 bis 150 war fast alles vertreten, und ich fand tatsächlich zwei Transistoren mit fast gleichen Werten (25), mit denen ich dann die Versuche weiterführte. Nun waren auch die Kurvenformen annähernd symetrisch. Das Ergebnis des (mehr oder weniger empirischen) Ermittelns der günstigsten Windungszahlen und Vorwiderstände war dann ein Wandler, der schon bei ca. 1.6V anfing zu schwingen. Die Frequenz betrug im Leerlauf ca. 20kHz und ging bei Belastung auf etwa 3-5kHz zurück. Die Sekundärwicklung hatte ich so ausgelegt, daß auch schon bei etwa 4V Eingangsspannung eine genügend hohe Ausgangsspannung erzeugt wird, um einen Akku (wenn auch nur mit geringem Strom) laden zu können ("pralle Sonne" bei klarem Himmel ist ja nicht immer verfügbar). Bei höherer Eingangsspannung nimmt der angeschlossene Akku mehr Strom auf, wodurch auch der Eingangsstrom steigt und infolge des recht hohen Innenwiderstands des kleinen Solarpanels (> 1 Ohm) die Eingangspannung wieder sinkt. Diese Schaltung sollte sich also über den Innenwiderstand des Solarpanels selber regeln. Aus diesem Grund ist auch von dem Versuch abzuraten, den Wandler aus einem Akku mit niedrigem Innenwiderstand (und ohne entsprechenden Vorwiderstand) zu speisen.

Quellspannung 5.6V, Innenwiderstand 1 Ohm

Soviel zur Theorie, nur was leistet diese Konstruktion wirklich ? Um das herauszubekommen, war es notwendig, das Solarpanel mit Hilfe eines Labornetzteils und eines Vorwiderstandes zu simulieren, da sich bei ständig wechselnder Beleuchtung einer Solarzelle nur schwerlich vergleichbare Messungen an verschiedenen Punkten der Schaltung vornehmen lassen. Als "Akku-Simulation" verwendete ich einen Leistungstransistor (auf Kühlkörper), der von einem Treibertransistor in Darlington-Schaltung und einem einstellbarem Spannungsteiler angesteuert wurde. Diese Schaltung verhielt sich ähnlich wie eine Zenerdiode und zeigte somit ein Verhalten, das mit einem Bleiakku recht gut vergleichbar war. Durch die einstellbare "Zener-"Spannung liess sich so ein Bleiakku in verschiedenen Ladezuständen simulieren. Die beiden Diagramme zeigen den Verlauf der Klemmenspannung am Eingang des Spannungswandlers und des Ladestroms bei verschiedenen Ladezuständen des simulierten Akkus. Dabei entspricht das obere Diagramm etwa der Situation bei kräftigem Sonnenschein (Maximalleistung des Solarpanels) und das untere etwa der Situation bei hellem, aber wolkigem Himmel. Aus den Daten lässt sich ein Wirkungsgrad des Spannungswandlers von ca. 35 bis 60% ablesen, was bestimmt noch verbesserungswürdig ist. Jedoch in den Datenblättern der kommerziellen DC/DC-Wandler fand ich auch Angaben wie "mit hohem Wirkungsgrad (typ. 65%)". Also scheint mir eine Spannungwandlung doch allgemein eine recht verlustbehaftete Angelegenheit zu sein.

Quellspannung 5.5V, Innenwiderstand 8.2 Ohm

Nun habe ich noch eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung (und Ladeschlußanzeige), die Umschaltung der Akkus und ein kleines Messinstrument (für Ladestrom und Akkuspannung) sowie ein paar Schutzdioden, Sicherungen und etwas "Entstörmaterial" zugefügt, und fertig war die Schaltung für meine QRP-Stromversorgung. Da das augewählte Gehäuse doch sehr klein geraten war, gestaltete sich die Erstellung des Platinenlayouts mit Hilfe von Eagle als eine recht knifflige Angelegenheit und musste doppelseitig ausgeführt werden. Auch beim Aufbau (und erst recht beim Einbau in das Gehäuse) musste ich an einigen Stellen etwas "tricksen", um sämtliche Bauteile unterbringen zu können. Die isolierte Montage der Leistungstransistoren mit Hilfe von Kunststoffschrauben und Glimmerplättchen gehörte dabei noch zu den "einfachen Übungen". Als ich aber erst nach dem Einbau der beiden Sicherungshalter festgestellte, daß der untere Kontakt federnd gelagert war und beim Einsetzen der Sicherung noch einige Millimeter weiter aus dem Halter heraus ragte, ging die Bastelei so richtig los: Da der Anschluß dieses Kontaktes auf der Platine jetzt natürlich nicht mehr möglich war, verlagerte ich die Platine etwas tiefer in das Gehäuse und schloß die Akku-Zuleitungen direkt an den Sicherungshaltern an. Durch die Verlagerung der Platine konnte nun das Messinstrument nicht mehr direkt auf der Platine verschraubt werden und musste (wie einige andere Elemente) mit Drähten kontaktiert werden. Ausserdem befand sich nun die Platine genau in der Höhe der Gehäuseschrauben, die demzufolge etwas verkürzt werden mussten, ...

Nach dem Einstellen der Ladeschlußspannung von 13.8V und dem Kalibrieren des Messinstruments konnte ich dann die ersten Ladeversuche mit meiner neuen QRP-Stromversorgung unternehmen. Dabei zeigte sich, daß ein bedeckter aber heller Himmel bereits ausreicht, die Akkus mit einigen (bei diesem Versuch ca. 25) Milliampere zu laden. Bei hellem Sonnenschein betrug der Ladestrom ca. 200mA, woraus folgt, daß ein sonniger Tag ausreicht, um einen der Akkus komplett zu laden. Erreichte ein Akku die eingestellte Ladeschlußspannung, reduzierte sich der Ladestrom auf wenige (< 20) Milliampere, wodurch ein Überladen (-> "Gasen") verhindert wird. Die Bedienung der beiden Schalter erwies ich als etwas gewöhnungsbedürftig, da die Umschaltung des Messinstruments zwischen dem Ladestrom des einen Akkus und der Spannung des anderen Akkus erfolgt. Diese (etwas ungewöhnliche) Anzeige halte ich jedoch für wesentlich sinnvoller als die Anzeige der aktuellen Spannung an dem Akku, der gerade geladen wird. Es ist meiner Meinung nach wichtiger, abzuschätzen zu können, wie lange der Akku noch Energie liefern kann, aus dem gerade der Transceiver versorgt wird, anstatt einen Anhaltspunkt zu bekommen, wie lange der Ladevorgang des anderen Akkus wohl noch dauern wird. Ausserdem besteht ja noch die Möglichkeit, die beiden Akkus durch Umschalten des Akku-Schalters zu vertauschen, um sich den momentanen Ladezustand des zu ladenden Akkus anzeigen zu lassen (was jedoch zu einer kurzzeitigen Unterbrechung der Stromversorgung des Transceivers führt). Bisher bin ich mit den Werten dieser Stromversorgung recht zufrieden, obwohl etwas mehr Leistung des Solarpanels doch wünschenswert wäre. Vielleicht entdecke ich ja mal ein ebenso kleines, leichtes und stabiles Solarpanel mit etwas besserem Wirkungsgrad (amorphes oder monokristalline Zellen ?). Alles Weitere wird sich beim nächsten "Field"-Einsatz zeigen.

solconv2.sch Schaltplan im Eagle-Format.

solconv2.brd Layout-Daten im Eagle-Format (Frontplatte in Layer 250, Passermarken in Layer 47).

Hinweise für Nachbauwillige: Für den Bau dieser Stromversorgung ist einige Erfahrung bei der Herstellung und Bestückung von doppelseitigen Platinen und etwas Geschick im feinmechanischen Bereich notwendig. Hierbei handelt es sich 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 Platinen oder Stromversorgungen 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 und des Layouts ist nur mit meiner ausdrücklichen Genehmigung zulässig.

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