Der Selbstbau von Funkgeräten mit kleinen Sendeleistungen


8. Kapitel - Stromversorgung

Autor: Peter Rachow Home


8.1 Einleitung

Eine wichtige Eigenschaft, die QRP-Geräte gegenüber High-Power-Equipment haben, ist ihr verschwindend geringer Energiekonsum. Die benötigten Stromstärken liegen in Bereichen von einigen 10 mA für Empfänger und maximal 2 A für Sender. Verglichen mit den bekannten Japan-Transceivern mit 100 W Output geradezu lächerliche Beträge. Eigentlich wäre es deshalb überflüssig, ein Kapitel über Stromversorgung für QRP zu schreiben. Sehen wir uns trotzdem einige interessante Möglichkeiten an, QRP-Geräte mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Schwerpunkt soll hier eindeutig auf Portabelbetrieb liegen, weil davon ausgegangen werden kann, daß sich ein Niederspannungsnetzteil bereits in jedem Ham-Shack findet. Beschäftigen wir uns also gleich mit

8.2 Akkumulatoren

Zuerst soll die Standard-Stromquelle für QRP-Equipment vorgestellt werden: der Akkumulator. Wir können drei Typen von Akkus kaufen:

a) Der (Blei)- Säureakku
b) Der (Blei)-Trockenakku
c) Der Nickel-Cadmium (NiCad) Akku

8.2.1 Der (Blei)- Säureakku

Hauptvorteil dieser Stromquelle ist, daß die Anschaffungskosten relativ gering sind. Ein für QRP-Funk verwendbarer Säureakku (12 V 5 Ah) kostet ungefähr 20,- EUR (ohne Säure). Die benötigte reine Schwefelsäure gibt es in Autowerkstätten, im Autozubehörhandel und in manchen Drogerien. Dem geringen Preis stehen allerdings einige Nachteile gegenüber. Der Akku ist mit ätzender Flüssigkeit gefüllt, und kann deshalb nicht in beliebiger Lage gelagert und transportiert werden. Außerdem entweichen beim Erreichen der Ladeendspannung (14,2 V bis 14,4 V bei einem 12 V-Akku) Wasserstoff und Sauerstoff, weil der elektrische Strom Wasser und Säure in H2 und O2 elektrolytisch zerlegt. Das daraus entstehende Knallgasgemisch dürfte dem einen oder anderen noch aus mancher kurzweiligen Chemiestunde in Erinnerung sein. Es besteht darum eine, wenn auch nur geringe, Explosionsgefahr, so daß der Ladevorgang an einem gut belüfteten Ort durchgeführt werden sollte. Die Zellenspannung einer vollgeladenen Zelle eines Bleiakkus beträgt 2 V.

Die Pflege der Akkus ist nicht ganz unkritisch, denn sie reagieren sehr empfindlich auf Tiefentladung. Insbesondere Autobatterien erfreuen sich bei Amateuren einer großen Beliebtheit als Ersatz für Netzgeräte. Diese Akkus haben aber nur relativ dünne Bleiplatten, so daß eine Tiefentladung stets zu einem gewissen "Plattenschwund" führt, also einem Austritt von Bleioxid aus der Platte, das sich dann am Boden des Akkus ansammelt. Diese Masse kann dann irgendwann zu einem Kurzschluß der betreffenden Zelle führen. Selbst langsames und schonendes Aufladen kann dann diese Defekte dann nicht mehr beseitigen.

Die meisten Säureakkus sind für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt. Dort werden Sie im Regelfall nie ganz entladen, sondern dienen nur als Puffer, während die Lichtmaschine der Hauptenergielieferant ist. Eine Autobatterie kann daher nur ca. 50 mal vollkommen entladen werden, dann ist die Kapazität unter ein vertretbares Maß gesunken. Bei vernünftiger Handhabung können jedoch 200 bis 300 Ladezyklen erwartet werden. Der Ladestrom beträgt 1/10 der Nennkapazität, die Ladezeit 14 Stunden.

8.2.2 Der (Blei)-Trockenakku

Dieser Akkumulatortyp ist etwas teuer als der Säureakku. Für einen vergleichbaren Akku (12 V 5 Ah) zahlt man ca. 20 bis 30 % mehr. Der Vorteil liegt in der Dichtigkeit des Akkugehäuses. Säure kann nicht austreten, weil sie im Akku chemisch in Form eines Blei-Gels gebunden ist. Gase entwickeln sich nicht so stark, und nur dann, wenn der Akku überladen wird. Hinsichtlich der Pflege gilt das Gleiche wie für den Säureakkumulator. Die Laderichtlinien sind gleich.

8.2.3 Der Nickel-Cadmium (NiCad) Akku

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren eignen sich nicht so gut als QRP Stromquelle. Der Hauptgrund liegt im wesentlich höheren Preis. Ein wichtiger Vorteil besteht allerdings darin, daß die Zellen dieses Akkumulators absolut dicht sind. NiCad-Zellen werden mit einer Nennspannung von 1,2 V ausgeliefert. Es gibt Sie mit Nennkapazitäten von 110 mAh bis 4,4 Ah pro Zelle. Bei gewissenhaftem Laden läßt sich ein NiCad-Akkumulator wesentlich häufiger Aufladen als ein Bleiakku, ca. 500 bis 1000 mal. Überladungen ebenso wie Tiefentladungen setzen den Akkus ungeheuer zu und verkürzen die Lebensdauer. Eine NiCad-Zelle sollte deshalb nicht unter 1 V entladen werden.

8.3. Ein einfaches Ladegerät für Akkumulatoren

(C) Peter Rachow
(C) Peter Rachow
Abb. 107 Ladegerät für Bleiakkus

Bleiakkus stellen wie gesagt keine hohen Anforderungen an das Ladegerät. Darum soll nachfolgend die Prinzipschaltung eines einfachen Laders für Bleiakkumulatoren gezeigt werden. Wichtig bei der Ladung ist die Einhaltung des Ladestroms. Dieser beträgt ungefähr 1/10 der Nennkapazität. Bei einem 6,5 Ah-Akku also ca. 600 bis 700 mA. Aber geringfügig größere Ströme werden ohne Schäden im Akku toleriert. Die Ladezeit beträgt dann ca. 12 bis 14 Stunden bis zum Erreichen der Ladeschlußspannung (2.05 V pro Zelle). Die etwas längere Zeit als die erwarteten zehn Stunden erklärt sich dadurch, daß der Akku nicht den ganzen fließenden Strom in Batterieladung umwandeln kann, es muß also etwas länger geladen werden.

Der Lader besteht aus dem Netztrafo mit anschließender Vollweggleichrichtung durch einen Brückengleichrichter oder 4 Dioden (1 N 4001 o.ä.). Die Sekundärspannung des Trafos beträgt 18 Veff.

Ein Spannungsregler höherer Leistung L 78 S 15 (2 A Maximalstrom) regelt die Spannung auf konstant 15 V herunter. Der Widerstand R muß jetzt so bemessen werden, daß ein angeschlossener Akkumulator, der geladen werden soll, ungefähr den Nennladestrom (1/10 der Kapazität) fließen läßt. Als Widerstand verwendet man eine Drahtwiderstand mit 5 Watt oder mehr Nennleistung, oder ein Drahtpotentiometer. Der Spannungsregler muß selbstverständlich gekühlt und isoliert in das Metallgehäuse eingebaut werden. Das Gehäuse muß vorschriftsmäßig geerdet werden. Am Strommeßgerät A (0..2 A Meßbereich) läßt sich dann der Ladestrom einstellen.

8.4 Solarenergie

Solarzellen, die man für die Stromversorgung von QRP-Geräten benutzen kann, wurden in den letzten Jahren zunehmend preisgünstiger angeboten, wenn auch ein gewisser Stillstand bei der Preisentwicklung zu beobachten ist. Solarzellen im Kleinleistungsbereich (P * 20 W) eignen sich hervorragend, um bei Portabel-Betrieb die nötige Energie zum Aufladen der Akkumulatoren zu liefern. Eine direkte Speisung eines QRP-Transceivers mit der Solarspannung ist dagegen nicht anzuraten, weil der maximal entnehmbare Strom und die Spannung nicht konstant sind, weil sie fast nur von den Beleuchtungsverhältnissen abhängen. Nebenbei spielt die Temperatur, die das Solarelement hat, eine gewisse Rolle. Je wärmer dieses ist, z.B. durch die Aufheizung durch das Sonnenlicht, desto geringer ist die maximale elektrische Leistung, die die Solarzelle liefern kann.

Die Kosten für Solarpanele sind sehr unterschiedlich, je nach Hersteller. Für ein 5 Watt Solarpanel mittlerer Qualität muß man zur Zeit Kosten von ungefähr 100,- DM kalkulieren. Trotzdem lohnt sich das Experimentieren unbedingt. Ein Panel sollte, um einen QRP-tauglichen Akku laden zu können, mindestens einen Strom von 200 mA liefern können (bei 14 Volt unter Belastung).

8.4.1 Informationen über Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen

Bei einer Solarzelle handelt es sich um eine großflächige Halbleiterdiode, bei der Licht in die Sperrschicht eindringen kann. Je größer die Fläche der Zelle ist, desto höher ist die elektrische Stromstärke, die die Zelle liefern kann. Die maximale Spannung liegt bei einer Einzelzelle bei ca. 0,5 V. Durch Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen läßt sich diese Spannung beliebig erhöhen, durch Parallelschaltung kann der maximal entnehmbare Strom ebenso beliebig gesteigert werden.

Sonnenlicht kann mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Der photovoltaische Effekt finden seinen Ursprung in der Grenzschicht des Halbleiterkristalls. Spannung (und damit Strom) wird erzeugt, wenn Lichtquanten (Photonen) im Halbleitermaterial an der Sperrschicht der Zelle Elektronen freisetzen.

Beim Betrieb einer Solarzelle wird man feststellen, daß die Leerlaufspannung, die man mit einem Voltmeter an einer beleuchteten, elektrisch aber unbelasteten Solarzelle messen kann, relativ hoch ist. Sie sinkt jedoch sehr schnell ab, wenn ein Belastungswiderstand ("Verbraucher") an die Solarzelle angeschlossen wird. Die Spannung fällt also mit kleiner werdendem Belastungswiderstand stetig ab, während der Stromfluß umgekehrt proportional (aber nicht linear) ständig steigt. Wenn man den Belastungswiderstand auf 0 * verkleinert, liefert die Zelle ihren maximalen Strom (Kurzschlußstrom), die Spannung ist dann fast 0 Volt. Jede Solarzelle hat demzufolge ihren spezifischen Arbeitspunkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom maximal ist. Dies ist der Punkt der höchsten Leistungsabgabe. Er ist dann erreicht, wenn der Innenwiderstand des Verbrauchers den gleichen Innenwiderstand hat, wie die Zelle. Dieser Punkt wird als "maximum power point" (mpp) bezeichnet. Grundsätzlich sollte man aus Gründen der Effektivität jede Solarzelle in der Nähe des mpp betreiben. Dafür gibt es verschiedene Regel- und Wandlerschaltungen, die aber im Rahmen dieses Buches nicht erörtert werden sollen. Für das Laden eines Akkus mit einem akzeptablen Wirkungsgrad geht es einfacher:

(C) Peter Rachow
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Abb. 108 Energiekurve von Solarzellen

8.4.2 Solarzellen als Ladegeräte für Akkumulatoren

Aus den oben beschriebenen Gründen ist es nicht sehr sinnvoll ein QRP Gerät direkt an der Solarzelle zu betreiben. Als Ladegerät für Akkumulatoren sind Solarpanele dagegen sehr gut geeignet. Meistens ist gar keine spezielle Schaltung zur Regelung der Ladestromstärke erforderlich. Um ein Überladen zu verhindern, sollte man nur regelmäßig den fließenden Ladestrom, den Akku, eine eventuelle Gasentwicklung sowie die Ladespannung beobachten. Eine einfache Ladeschaltung sieht so aus:

(C) Peter Rachow
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Abb. 109 Einfache Ladeschaltung mit Solarzelle

Das Solarelement ist eines der gängigen im Handel befindlichen Panele für eine Leerlaufspannung von 18 V. Es besteht aus 36 in Reihe geschalteten Zellen. Die Diode D (für 5 A maximalen Stromfluß) ist meistens auf den Panelen bereits aufgelötet. Sie dient dazu, den angeschlossenen Akku vor dem Wiederentladen über die Dioden zu schützen, wenn das Panel nicht mehr genügend Leistung liefern kann.

Wenn man davon ausgeht, daß selbst unter extremen Bedingungen der QRP-Transceiver 90 % der Zeit auf Empfang geschaltet ist, und so weit weniger als 100 mA Strom fließt, kann man mit einem Solarpanel, das bei durchschnittlicher Beleuchtung etwas mehr als 150 mA Ladestrom liefern kann, praktisch ohne Zeitbegrenzung, sogar nach Einbruch der Dunkelheit, Betrieb machen. Man hat so eine ideale regenerierbare Energiequelle für Fieldday- und Portabelbetrieb.

8.5 Ein Netzteil für QRP-Stromversorgung

(C) Peter Rachow

Abb. 110 Schaltung eines einfachen Festspannungsnetzteiles

Der Transistor Tr 1 arbeitet als Serienstabilisator. Er erhält seine Referenzspannung aus der Zener-Diode Z1 (12V 1W). Die Widerstände R1 und R2 müssen Ausführungen für eine Leistung von 2 Watt sein. Der Transistor muß gekühlt werden, wenn der maximale Strom von 2 A längere Zeit entnommen werden soll. Aber auch in allen anderen Fällen ist die Montage auf eine Kühlfläche anzuraten.

Der Transformator Tr hat seine Anzapfung in der Mitte der Sekundärwicklung. Die beiden Dioden bilden in Verbindung mit der Schaltung des Trafos eine Vollweggleichrichtung. Wenn diese Schaltung wegen eines nicht angezapften Transformators nicht in der gezeigten Form realisiert werden kann, kann ebenso gut die bekannte Schaltung mit dem Graetz-Gleichrichter verwendet werden. Die Ausgangsspannung der Sekundärspule sollte dann ca. 16 VEff. betragen.


(C) Peter Rachow