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Die Stromversorgung im Propellerballonprojekt besteht aus insgesamt 6 Einheiten:

• Solarzelle
• Solarladeregler
• Ladestrommesser
• Ladeschutzschaltung
• Akkumulator
• Spannungsregler

Schaltplan der Stromversorgung:

Solarzelle

Eine Solarzelle soll verwendet werden um den Li-Ion Akkumulator während des Experiments nachzuladen und zu testen, ob eine sparsame Nutzlast vielleicht komplett aus einer modernen Solarzelle versorgt werden kann. Wir verwenden zwei polykristalline Solarzelle, die sich auf dem Deckel befinden und zusammen gerade mal 10g wiegen. Da der Start der Ballonnutzlast am Tag stattfindet, haben wir spätestens nach durchbrechen der Wolkendecke direkte Sonneneinstrahlung. Die Solarzellen sind mit je 500mV Spannung und 400mA Strom spezifiziert. Da wir beide parallel geschaltet haben, steht uns ein Strom von maximal 800mA zur Verfügung.

 

Solarladeregler

Eine Solarzelle ist ähnlich wie ein Peltier-Element eine Stromquelle. Wird eine Solarzelle belastet, sinkt die Spannung, während der Strom zunimmt. Wird die Zelle überlastet, brechen Spannung und Strom sehr plötzlich ein. Kurz vor der Überbelastung gibt es einen Punkt, an dem die Solarzelle die höchste Leistung gemäß

abgibt. Dies ist der Maximum Power Point. Um die elektrische Energie einer Solarzelle effizient nutzen zu können, braucht man also einen speziellen Solarladeregler. Der Baustein LTC3105 ist darauf ausgelegt, durch Regelung des Stromes die maximale Leistung aus der Solarzelle abzurufen. D.h. die Solarzelle wird im Bereich des Maximum Power Point betrieben.

Kann die Solarzelle z.B. wegen Wolken nur wenig Strom abgeben, reduziert der Regler die Leistungsaufnahme. Dadurch wird sichergestellt, dass die Versorgungsspannung nicht zusammenbricht und der Betrieb des LTC3105 unmöglich wird.

Den Ausgang des Solarladereglers wurde auf 4,3V eingestellt, da dies die optimale Ladespannung für den eingesetzten Li-Ion Akku ist.

• Modell: LTC3105 von Linear Technologies
• Spannung: ab 250mV
• Ausgangsstrom: max. 400mA
• Gewicht: 0,2 g
• Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
• Besonderheiten: Maximum Power Point Control
• Bezugsquelle: Farnell
• Preis: 7,87 €

 

Ladestrommesser

Damit wir die von der Solarzelle abgegebene Energie messen können, benötigen wir einen Ladestrommesser. Der LTC2942 misst die anliegende Spannung sowie den Strom, indem er den Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand zyklisch misst. Weiterhin hat der Baustein noch einen Temperatursensor. Durch Integration der Werte bestimmt der Chip die übertragene Ladungsmenge gemäß

.

Der Chip braucht außer einem Widerstand keine weiteren Bauteile und stellt die gemessenen Werte über den I²C-Bus zur Verfügung.

• Modell: LTC2942 von Linear Technologies
• Eingangsspannung: 0 – 6V
• Gewicht: 0,2 g
• Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
• Besonderheiten: Winzig
• Bezugsquelle: Farnell
• Preis: 5,93 €

 

Ladeschutzschaltung

Damit der Li-Ion Akku nicht überlädt und gar explodiert, verwenden wir vor dem Akku eine Ladeschutzschaltung. Der Akku besitzt zwar einen Protection Chip, allerdings trennt dieser bei Überladung die Batterie ab, was in unserem Anwendungsfall einen Ausfall der Nutzlast zur Folge hätte. Der temperaturkompensierte, intelligente Shuntregler LTC4070 steuert bei einer Spannung von 4,1V eine P-FET an und verhindert so zuverlässig ein Überladen des Akkus.

• Modell: LTC4070 von Linear Technologies
  
• Spannung: 4,0 V bis 4,2 V in Stufen
• Shuntstrom: 50mA intern
• Gewicht: 0,2 g
• Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
• Besonderheiten: Mehr Strom möglich mit externem FET
• Bezugsquelle: Farnell
• Preis: 7,78 €

 

Akkumulator

Da die Nutzlast mit 3,3V läuft, wurde ein Li-Ion Akkumulator gewählt. Diese Akkus sind zuverlässig und vielfach bewährt, so dass dieser Akku Typ auch in diesem Projekt gewählt wurde.
Bei der Auswahl der Akkus gab es folgende Punkte zu berücksichtigen:

• Energiedichte (mAh pro Gramm)
  
• zulässiger Temperaturbereich
• Verhalten bei niedrigem Umgebungsdruck
• Beschaffbarkeit und Preis

Auf Grund der Energiedichte sind Lithium-Polymer Akkumulatoren die erste Wahl gewesen, allerdings lagen hier keine Erfahrungen bzw. Quellen zum Verhalten bei niedrigem Umgebungsdruck oder niedrigen Temperaturen vor.

Bei der Recherche fiel uns auf, dass Industriezellen vom Typ 18650 bereits auf Weltraumtauglichkeit getestet wurden (Jeevarajan, 2010). Weitere Recherchen führten zu einer Studie über das Verhalten von 18650 Akkumulatoren bei niedrigen Temperaturen (Jiang, 2003), die für den erwarteten Temperaturbereich einen Kapazitätsverlust von 20% anführt. Auf Grund des Alters der Studie kann man davon ausgehen, dass aktuelle Modelle weniger Verluste haben. Da die Akkus dieser Bauform der Jugendgruppe aus ihren LED-Taschenlampen gut bekannt und damit verfügbar waren, fiel die Wahl letztendlich auf diese Akkutyp.

Für die Auswahl des Akkus wurde der 18650-Komparator von Henrik Jensen  verwendet, der einen umfangreichen Kapazitätsvergleich bei verschiedenen Entladeströmen bietet. Da die geplante Nutzlast nur wenig Strom verbrauchen wird, verglichen wir jeweils die Entladekurven für 200mA miteinander. Leider schnitten die Akkus unserer Taschenlampen in diesem Test nur mäßig ab, so dass wir uns für den Kauf des besten, beschaffbaren Markenakkus entschieden haben:

• Modell: EnerPower 18650 Blue von ENERdan GmbH
  
• Spannung: 3,6 V
• Kapazität: 3400 mAh
• Gewicht: 48,1 g (70,8 mAh/g)
• Temperaturbereich: -20°C bis 60°C
• Besonderheiten: Vorkonfektionierte Anschlußkabel, Protection Chip
• Bezugsquelle: ENERdan via Amazon
• Preis: 16,50 €

 

Spannungsregler

Da die Elektronik mit 3,3V arbeitet, müssen wir mit einem Spannungsregler die (variable) Spannung des Akkus auf 3,3 V regeln. Die Auswahl des Spannungsreglers war auf Grund der vielen verfügbaren Modelle recht aufwändig. Folgende Kriterien wurden für die Auswahl verwendet:

• Keine externe Schottky Diode oder externer FET nötig
  
• großer Wirkungsgrad
• Ausgangsspannung fest oder einstellbar auf 3,3V
• hoher Eingangsspannungsbereich (bis zur Entladeschlusspannung des Akkus)
• Ausreichend hoher Ausgangsstrom, um die Nutzlast zu betreiben

Wegen der Forderung nach hoher Effizienz kamen nur Schaltregler in Frage. Da die Batteriespannung in jedem Fall oberhalb der 3,3V Ausgangsspannung liegt, benötigen wir einen „Buck“ oder „StepDown“ Regler. Wir hatten bereits im FichtenFieldday-Lötprojekt „FAniLCD“ den Regler LTC3525 kennengelernt, allerdings liefert dieser nur 65mA. Der Hersteller Linear bietet in der LTC31xx-Familie einen Abwärtsregler, der alle geforderten Kriterien erfüllt und bis zu 800mA Ausgangsstrom liefert.

Da ähnliche Regler von anderen Herstellern noch schlechter lötbar sind, entschieden wir uns für den LTC3560 im handlichen TSOT-23 Gehäuse.

• Modell: LTC3560 von Linear Technologies
• Eingangsspannung: Vout bis 5,5V
• Ausgangsstrom: 800mA
• Gewicht: 0,2 g
• Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
• Besonderheiten: Bis zu 95% Effizienz
• Bezugsquelle: Farnell
• Preis: 4,00 €