Die Idee
Meine Frau sagt immer, ich soll mehr entspannen. Daher habe ich nun zur Entspannung mal ein weiteres Kiki-Projekt gestartet, einen Adapter für die 20V/40V-„ACTIV ENERGY“ Akkus, die in den Akku-Geräten der Marke „FERREX“ eingesetzt werden.
Ein neuer Rasenmäher
Das Projekt nahm seinen Anfang, als unser alter Akku-Rasenmäher kaputtging. Er hatte einen 120V-Akku (!), der nicht mehr gefertigt wird und für den es somit keinen Ersatz mehr gab. Ich vermute Problem mit den diversen Niederspannungs-Richtlinien, denn 120V sind nicht mehr ganz harmlos. Eine Fehleranalyse ergab, daß eine der 30 in Serie geschalteten 18650-Zellen einen Kurzschluss hatte und damit ließ sich der ganze Akku nicht mehr laden.
Zufällig gab’s bei Aldi gerade einen neuen Rasenmäher mit den 20/40-V-Akkus und so haben wir zugeschlagen. Bisher verwende ich für fast alle Akkuwerkzeuge die Parkside 20-V-Akkus, aber den neuen 40-V-Akkus konnte ich nicht widerstehen. Ihr Vorteil ist die gut handhabbare ungefährliche Spannung und halb so große Stromstärke bei gleicher Leistung.
Wozu das Ganze?
Mein Ziel ist der Betrieb eines IC7300 aus einem oder zwei dieser Akkus. Bei 100 W Sendeleistung zieht er immerhin 16A aus der 12V Versorgung, also nahezu 200 Watt. Bei 20 V wären das 10 A, bei einem 40-V-Akku nur 5 A. Zwei 40-V-Akkus können auch parallelgeschaltet werden, wie es bei Lithium-Akkus üblich ist. Damit sinkt die Stromstärke weiter auf 2,5 A, zumindest wenn die Akkus in etwa den gleichen Ladestand haben. Das ist ein Argument, zumal die Stromaufnahme wegen des begrenzten Wirkungsgrads des Spannungswandlers noch etwas höher liegen dürfte.
Wenn zwei Akkus verwendet werden, würde ich sie jeweils über eine Schottkydiode mit dem Spannungswandler verbinden, damit sie sich nicht gegenseitig laden oder entladen, falls der Ladestand sehr unterschiedlich ist. Der Einsatz zweier Akkus hätte den Vorteil, das man unterbrechungsfrei einen der beiden tauschen kann.
Das Projekt
Hier die 3D-Ansicht des Prototypen:
Die Schaltung
Die Schaltung ist trivial. Als Kontaktzungen für den Akku dienen Flachstecker für Printmontage aus Messing, es ist eine rückstellende Polymer-Sicherung eingebaut, 3,75 A beim Prototypen und für den Anschluß eines Kabels ist eine XT30-Buchse vorgesehen. Die Ausfräsung in der Leiterplatte dient zum Einrasten des Akkus. Der mittlere Flachstecker darf nicht bestückt werden. Es sind in Wirklichkeit zwei Kontakte, die mit T und ID bezeichnet sind. Ihre Funktion ist nicht ohne weiteres ersichtlich. Ich tippe auf einen Temperatursensor T und ein Signal zur Identifikation des Akkutyps. Sie sind für den Normalbetrieb offensichtlich nicht notwendig, könnten aber Notsignale bei zu hohem Strom oder zu hoher Temperatur abgeben. Proceed at your own risk! Der 20-V-Akku hat diese beiden Signale übrigens auch, aber ihm fehlt der Kontakt B2-.
Hier das KiCad-Projekt inclusive der 3D-Modelle, soweit vorhanden:
Der Akkuhalter
Der Akkuhalter ist mit dem 3D-Drucker gedruckt. Ich habe PLA-Filament mit Carbonfasern verwendet, in der Hoffnung, daß es dadurch etwas stabiler wird. Es macht jedenfalls einen stabilen Eindruck. Hier ist das FreeCad-Projekt für den Halter und das erzeugte 3mf-File:
Spannungswandler
Als Spannungswandler habe ich einen „DC/DC Spannungswandler Spannungsregler Modul Step Down Buck 30–90V auf 12V 1–30A“ vorgesehen. Er verträgt 30–90 V Eingangsspannung und ist damit für den 40-V-Akku in allen Grenzen von „voll“ bis „leer“ mit ausreichenden Reserven geeignet. Erste Versuche haben gezeigt, daß er sogar mit einem vollgeladenen 20-V-Akku funktioniert, was freilich außerhalb seiner Spezifikation ist. Wenn der mehr oder weniger entladen ist, beispielsweise auf 15 V, wird das auch nicht mehr funktionieren.
Bei 130 W Last auf der 12-V-Seite wird der Spannungswandler nach einer guten halben Stunde kaum handwarm. Danach war der Akku leer und hat offensichtlich automatisch abgeschaltet. Die verwendete Sicherung ist für 3,75 A Dauerstrom ausgelegt, was der Grund für die Wahl der 130-W-Last war. Der Akkustromstärke lag zum Start des Tests bei 3,5 A, was 140 W Eingangsleistung entspricht. Wegen des kontinuierlichen Abfalls der Akkuspannung beim Entladen, steigt die Stromstärke im Testverlauf und könnte dann die Sicherung auslösen.
Das Störspektrum
Wegen des beabsichtigten Betriebs eines KW-Funkgeräts ist natürlich das Störspektrum des Wandlers von besonderer Bedeutung. Ich habe daher einen passenden Ringkern mit 8 Windungen Draht bewickelt und ihn über die positive Zuleitung der Ausgangsseite gezogen. Am Spektrumanalysator zeigen sich folgende Schmutzeleien abhängig von der Last und dem Frequenzbereich:
Am wichtigsten für den normalen Empfangsbetrieb ist die Störstrahlung bei 20 W Last, denn das ist ungefähr die Leistungsaufnahme des IC7300. Das Störspektrum liegt im Wesentlichen unterhalb von 1 MHz. Dort wird man sicherlich hier und da Pfeifstellen beobachten. In den KW-Amateurfunkbereichen sind glücklicherweise kaum Störungen zu erwarten. Im Sendebetrieb, hier bei 80 Watt Eingangsleistung, gehen die Störungen weiter zurück. Damit sollte man arbeiten können.