Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : FET-Schalter
Hallo!
ich habe einen Mini-Luftreiniger gebaut. Den betreibe ich schon einige Zeit. Da ich Anschlusskabel nicht mehr sehen kann, baue ich solche Kleingeräte für die Wohnung immer mit Akku. Allerdings sind die Akkus auch innerhalb weniger Tage leer. 2600mAh sind sicher auch nicht der Hammer, aber ich will die Geräte und damit die Gehäuse nicht unnötig aufblasen, weil das mit einem 3D-Drucker gedruckt wird. Ich denke darüber nach, dem jetzt ein fahrbares Chassis zu verpassen, wo ich den Luftreiniger oben drauf setzen kann. Ich würde dafür eine einfache, zweimotorige Variante wählen, mit frei beweglichem Stützrad. Wenn also die Akkus geladen werden müssen, soll das Ding dann zur Ladestation fahren, die ich an einer Stelle unterbringen möchte, wo sie mich am wenigsten stört. Die Ladestation möchte ich vom Netz trennen. Dafür muss ich wohl - aus Sicherheitsgründen - passende Relais wählen, die bis 300V Wechseltrom schalten können.
Ich habe jetzt folgenden Vorgang im Kopf:
1. Das Chassis fährt zur Ladestation und dockt dort an.
2. Jetzt muss ein Akkus (von mehreren) einzeln getrennt und die Ladeanschlüsse mit den Ladekontakten verbunden werden.
3. Die Verbindung zum Wechselstromnetz wird hergestellt.
Bei 2. stelle ich mir das so vor, dass ich dort FETs einsetze, die ich einfach mit 0V und 5V, vom Arduino-Ausgang, steuere.
Bei der Ausgangsseite eines Akkus will ich einen FET in die Plus-Leitung reinsetzen, der dann diese Verbindung trennt oder schließt.
Bei den Ladeanschlüssen will ich auch so verfahren. Nur die GND-Leitungen würde ich grundsätzlich immer alle miteinander verbunden lassen. Würden also nicht getrennt.
Fragen, die auftauchen:
Kann ich einen FET überhaupt so, wie gedacht, als Schalter einsetzen oder werde ich damit Probleme haben oder zumindest große Schwierigkeiten?
Hat ein FET einen unendlich großen Widerstand, wenn ich den als Schalter einsetze und also mit 0V ansteuere, um die Verbindung zu unterbrechen?
Wie warm wird so ein FET, in solcher Funktion, wenn dort permanent Strom drüber fließt (auch mal bis 2h mehrere Ampere)?
Wieviel Strom braucht so ein FET, wenn der als Schalter permanent geschlossen ist und wieviel, wenn der als Schalter geöffnet ist?
Wären in manchen Fällen Relais die bessere Wahl, von der Baugröße her dann sicherlich nicht?
Wäre gut, wenn ich hier Klärung bekäme.
Vielen Dank!
Holomino
25.11.2019, 10:50
Geht es um das Laden einzelner Zellen in einem in Reihe geschalteten Akkupack?
Nein, Holomini, Akkus sind parallel geschaltet. Es sind einzelne Akkus dieser Art: https://www.amazon.de/s?k=lipo+11.1v+1300mah+conrad+energie&__mk_de_DE=ÅMÅŽÕÑ&ref=nb_sb_noss
ARetobor
25.11.2019, 11:41
Hallo Moppi,
schau auch hier:
http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/MOSFET/index.html
Gruß
AR
Holomino
25.11.2019, 11:49
Im statisch durchgeschalteten Betrieb musst Du Dir den RDSOn (Resistance Drain Source On) anschauen. Über den geplanten Ladestrom (z.B. 2A) kommst Du bei RDSOn = 0,1R auf 0,2V Spannungsabfall am FET. Damit kannst Du die Verlustleistung (U*I) errechnen, hier also 0,4W. Wie weit sich der Transistor erwärmt, bekommst Du durch R(Theta)-Junction-Ambient raus. Bei so TO220-typischen 60°/W z.B. wären das dann ohne Kühlkörper knappe 30°, die sich der Transistor über die Umgebungstemperatur erwärmt.
Weitere Verluste durch Umschalten kannst Du als Faustregel unterhalb des kHz-Bereiches ignorieren, wenn denn der Transistor sauber durchgeschaltet wird.
So etwas wie Basisstrom kennen FETs nicht. Das steuernde Gate ist vom durchleitenden Kanal getrennt. Stell Dir einfach einen Kondensator zwischen Gate und Source vor, dessen Spannung den Kanal quasi mit einer Diodenkennlinie durchsteuert. Allerdings handelt man sich üblicherweise kleine Verluste durch die typischen Eingangsbeschaltungen ein (Herunterziehen des Gates eines P-CH-FETs über Widerstand oder safety Pulldown am Gate eines N-CH-FETS).
Was man jetzt im Einzelnen wie ansteuert und welche Probleme man damit bekommt, hängt von der Schaltung ab. Mach doch mal bitte eine kleine Zeichnung, wo Du nach Deinen Vorstellungen Quellen (inklusive der Lademimik), Verbraucher und FET-Schalter (einfach nur Schaltersymbole) einzeichnest.
@Aretobor
Danke für den Link!
@Holomoni
von der Lademimik habe ich keinen Plan, weil ich ein handelsübliches Gerät nehmen werden, das eine Ladebuchse hat und einen 220V-Stecker an der anderen Seite.
Von dem FET-Dings mach ich eine Skizze. Weil ich da die Schaltung nehmen will, wie ich die in dem Buch vorliegen habe, ist die einfach zu bauen. Aber ob das damit funktionieren kann, was ich damit machen will, ist die Frage. Ich denke ja schon, aber mit FETs noch nicht so viel gemacht. Beeile mich...
MfG
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34530
Hier ist der Plan. Links Arduino wird mit 5V versorgt. Rechts der Leistungsteil. Statt der Spannungsquelle habe ich dann die Kabel vom Ladegerät, über die der Akku geladen wird. Motor und Freilaufdiode fällt weg, statt dessen könnte man den Akku reinsetzen.
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Der MOSFET ist ein IRF520. 9.2A / 60W
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Hier mal ein Bild, wie so LiPo-Zellen verschaltet sind, zum Balancer-Ladeanschluss: http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/245836-umlöten-JST-XH-Balancer-Anschluss-auf-EHR
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Hier mal ein Ansatz, für einen Ladeanschluss und einen Akku, der wahrscheinlich so nicht funktioniert:
34531
Ein Problem wird wohl schon darin bestehen, dass, beim Ausballancieren der Zellspannungen, Zellen einzeln geladen werden und somit der Stromfluß an MOSFETs umgekehrt würde.
Holomino
25.11.2019, 14:05
Tja, da weiß ich gar nicht, wo ich anfangen soll. Ich probiere es trotzdem.
Der RDSOn des IRF520 liegt bei 0,27 Ohm. Das ist ein ziemlich mieser Wert für einen FET. Schaltest Du das Teil zwischen Ladegerät und Akku, wird bei 1A Ladestrom die Spannung, die zweifellos vom Ladegerät überwacht wird, schon entsprechend verfälscht.
Auch schaltet das Teil erst bei 10V wirklich durch. Wenn Dein Arduino also vom Akku betrieben wird und der ist leer (bei 3 Zellen so ca. 9V), kommt schon die Ansteuerung des Transistors nicht mehr in die Puschen (abgesehen davon, dass der Arduino nur 5V liefert).
Was mir Deine Bilder nicht verraten: Es gibt lt. Deinen bisherigen Posts ein Ladegerät, mehrere Akkus, und einen Verbraucherstrang. Was willst Du wann umschalten? Möchtest Du den Verbraucherstrang z.B. auf den Akku umschalten, der zur Zeit nicht geladen wird? Wie sieht es dann bei der Schalterei mit der gemeinsamen Masse aus?
Bevor Du Dich also mit dem FET auseinandersetzt, bitte zuerst einmal ein Überblick über das Gesamtsystem.
Und wo ich ein Problem sehe: Hast Du einen konkreten Lader im Auge, der z.B. nach Vollladen des einen Akkus und Umschaltung auf den anderen Akku OHNE irgendwelche Knopfdrücke anstandslos neu mit dem Ladevorgang startet (meine Modellbaulader z.B. machen ohne Knöpfchenknuffelei gar nix)?
So, und beeilen musst Du Dich auch nicht. Ich habe auch ein gutes Jahr und drei Revisionen gebraucht, um mir ein Powermanagement nach meinen Vorstellungen zu bauen. Das ist zwar keine Raketenwissenschaft, aber auch nicht so einfach, dass ich es ruhigen Gewissens ohne Schutzschaltung an den Zellen zusammengebaut hätte. Eine Fehlfunktion ist im günstigsten Fall eine weggebrannte Leiterbahn, ungünstig ist dann der brennende Akku.
Hallo Holomino,
um es einfach zu machen, spreche ich mal nur von Arduino (als Beispiel für eine komplexere Schaltung mit Motoren etc.)
Ich will immer einen Akku weg, von der Arduino-Versorgung, nehmen. Da sind also mehrere (voraussichtlich z.B. 4 Stück parallel geschaltet, alle 12V mit 1300mAh).
Also einer wird "abgeklemmt". Von dem wird das Ladekabel (4-polig) "angeklemmt" auf den Ladegräteanschluss. Wenn Ladung fertig, das ganze rückwärts.
Dann der nächste Akku...
Die gemeinsame Masse würde ich bestehen lassen. Normal schadet das nicht.
Die Ladegräte sind Plug&Play. Steckste den Akku dran, und das Teil in die Steckdose. Ab jetzt geht alles elektronisch. Laden würde ich nach Zeit machen oder die eine LED optisch abgreifen, die in der Regel das Ende des Ladezyklus anzeigt.
Aber nach Zeit wäre mir lieber. Weil das Ladegerät schaltet auf Erhaltungsladung um, nachdem der Akku voll ist. Bei 1300mAh benötigt das Ladegerät 1,3h, dann ist der Akku voll.
ungünstig ist dann der brennende Akku.
Wenn hier was schief geht, brennt es auf jeden Fall.
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Ich habe schon andere Lösungen evaluiert. Unter Anbetracht der Baugröße und der Kosten wäre es auch möglich, ein "8-Relais Modul 5V mit Optokoppler Low-Level-Trigger für Arduino" zu nehmen. Mit zwei derer Karten könnte ich 4 Akkus umschalten. Eine Karte davon, zum Trennen der Akkus von der Arduino-Versorgung und zum Anschalten der 250V, aus der Steckdose. Kostenpunkt, 5 der 8-Relais-Karten, sind 30 EUR. Die schalten max. 250 V AC / 10 A.
Was würdest Du bevorzugen? Ich glaube, mit den FETs wird es kaum sehr viel platzsparender, denn ich bräuchte dann ja auch ne ganze Menge davon.
Oder hast Du vielleicht noch eine andere Idee?
MfG
Holomino
25.11.2019, 15:17
Tja, so prinzipiell scheitere ich schon an der Idee, einen geladenen Akku wieder parallel zu zwei noch nicht geladenen Akkus zurück zu schalten. Das gibt ohne weiteren Schutz böse Querströme.
Ich glaube fast, da bist Du besser beraten, aus den 4x3S einen 4P3S zu bauen (http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/58251-Lipo-trennen habe ich aber selber auch noch nie gemacht). Dann kannst Du Dir die Umschalterei sparen.
Zwei Akkus brauche ich mindestens. Einen alleine als Pufferakku. Also werde ich vermutlich zwei Mal laden und umschalten. Wenn die FETs einen Widerstand haben, wäre es ohnehin ungünstig, dann würden vermutlich die Akkuzellen überladen. Dann ist es wohl besser, Relaiskarten zu nehmen.
MfG
ARetobor
25.11.2019, 17:34
Hallo Moppi,
einfache Relais bringen keinen Vorteil beim Übergangswiderstand.
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/C300/DS_HF3FA.pdf
siehe:
Contact resistance 100 mOhm
Gruß
AR
PS
ich würde den nehmen:
https://www.infineon.com/dgdl/irlb3034pbf.pdf?fileId=5546d462533600a40153566027b 22585
Hallo ARetobor,
fließt beim MOSFET der Strom denn auch in beide Richtungen? Also von D nach S ODER von S nach D? - Offenbar soll das so sein, dann ist die Frage, welche Richtung für den Laderegler besser ist. Ob es völlig egal ist oder ob an den einzelnen Anschlüssen des Balancersteckers, der MOSFET eher gedreht wird (also D und S vertauscht).
Schau mal bitte in meinem Beitrag#6 (https://www.roboternetz.de/community/threads/74272-FET-Schalter?p=656797&viewfull=1#post656797), was ich geschrieben habe / meine!
Außerdem fehlt mir dort noch die richtige Beschaltung, so, wie ich es skizziert habe, funktioniert es vermutlich nicht.
MfG
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Also wichtig wäre schon, dass bei bspw. 4.2V an D auch 4.2V an S ankommen oder eben bei 4.2V an S nicht weniger als 4.2V an D ankommen.
100mOhm sollten nicht stören, das könnten schon Übergangswiderstände Stecker zu Kabel sein inkl. Leitungswiderstand. Ganz so tragisch wird das nicht sein.
Wichtig ist eben auch, dass der Strom in beide Richtungen fließen können muss, wegen der Regelung des Ladegerätes, s. Balancer.
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Hier habe ich einen Mini-Laderegler gefunden, Schaltplan: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/1304_LIPO_CHARGER_ENG_TDS.pdf
Das ist aber nur für eine Zelle also 1S-LiPos.
Ich könnte aber auch einfach einen Step-Up/Step-Down-Regler zum Laden verwenden. Ich denke, wenn ich das Angleichen der Zellenspannungen, am Ende des Ladevorgangs spare, könnte ich das simple auch auf eine ganz einfache Art lösen. Muss den Akku nicht randvoll machen und bis zum Boden leer auch nicht, das täte dem sowieso besser; dann lieber öfter laden. Wenn das Ding selber zur Ladestation fährt, ist das ja so gesehen nicht das Problem, ob der jetzt alle 3 Tage zum Laden fährt oder alle 4 bis 5 Tage. Eine Idee in diese Richtung gehend wäre auch, den Akku in der Schaltung zu belassen und gar nicht herauszutrennen. Dann in die Schaltung eine externe Spannung einspeisen, die größer ist, als die, welche der Akku liefert. Dann die externe Spannung immer wieder mal abschalten und per Analog-Eingang vom Arduino prüfen, wieviel Spannung der Akku abgibt. Ist der bei 12.2V bis 12.4V angekommen, dann das Laden abstellen. Und ab 11.5V Akkuspannung kann man wieder nachladen.
:confused:
Holomino
25.11.2019, 19:20
Wozu brauchst Du den Pufferakku?
Wenn Du die Last beim Laden auf ein Minimum reduzierst (z.B. nur den Controller zur Überwachung laufen lässt), merkt das Ladegerät gar nichts davon.
Hmm. Ich habe auch schon an so etwas gedacht. Einfach an Ladestation fahren, in den Überwachungsmodus gehen, dass der Arduino gerade noch aktiv ist (Motoren aus) und Ladegerät am Ladeanschluss zuschalten. Ob das Angleichen der Zellen, auf 4.2V, dann noch funktioniert? Ich probiere das jetzt mal aus.
ARetobor
25.11.2019, 20:00
Hallo Moppi,
ich glaube mit dem IRLB3034PbF ist kein inverser Betrieb möglich.
Mir ist noch nicht klar was für ein Akku du benutzt?
Einzelne Zellen oder die Oben genanten Beispiele mit 11,1 Volt?
Gruß
AR
Aretobor, das steht Eingangs. Beitrag#3 (https://www.roboternetz.de/community/threads/74272-FET-Schalter?p=656791&viewfull=1#post656791)
fließt beim MOSFET der Strom denn auch in beide Richtungen?
Ja. In der einen Richtung leitet die Bodydiode, und das immer. In der anderen Richtung schaltet das Gate den Durchgang. Ein FET ist kein allgemeiner Ersatz für ein Relais.
MfG Klebwax
Also wenn der Akku in der Schaltung bleibt und das Ladegerät lädt über den Balancer-Anschluss. Die Schaltung zieht nun Ladung aus dem Akku raus. Was passiert dann? - Die entnommene Ladung teilst sich gleichmäßig auf alle Zellen des Akkus auf. Richtig oder nicht? Entsprechend sollte sich das für das Ladegerät so darstellen, als ob der Akku einfach eine höhere Kapazität hätte. Das Laden dauert dann länger, aber die Akkuzellen können eigentlich nicht überladen werden, wenn nebenbei was entnommen wird.
Also habe ich das Ladegerät jetzt einen Akku laden lassen, der nicht von der Schaltung getrennt ist und während dessen noch unterschiedlich viel Leistung (im mW-Bereich) entnommen. Das Ladegerät hat den Akku geladen und die Zellen angeglichen. - Grüne Lampe an, fertig.
Was passiert aber beim Angleichen der einzelnen Zellen? Ich habe die Zellen gemessen. Die erste Zelle hat 4.17V, die zweite Zelle hat 4.18V und die dritte hat 4.19V. Alle drei Zellen müssten dieselbe Spannung haben. Das Ladegerät lädt beim Angleichen die erste Zelle voll, dann die zweite Zelle, dann die dritte Zelle und ist dann fertig. Da während des Ladens Ladung entzogen wird, da der Akku sich in der Schaltung befindet, hat am Ende die erste Zelle 0.01V weniger, als die zweite Zelle und die hat 0.01V weniger, als die dritte Zelle. Könnte man so annehmen.
Wissend, dass die Zellen sowieso unterschiedlich schnell entladen werden, wäre es sinnvoll, für eine lange Akkulebensdauer, die einzelnen Zellen über den Balancer-Anschluss zu messen, um den Nachladezeitpunkt nach der schwächsten Zelle zu bestimmen. Das wären für den Arduino drei Analogeingänge, die benötigt werden. Über denselben Anschluss muss aber auch geladen werden. Da der Arduino an den Analogeingängen, über Spannungsteiler die sich nicht ändern, nur eine geringe Leistung abnimmt, sollte dies auch kein Problem sein. So dass, während des Ladens, der Arduino, mit den Analogeingängen, ebenfalls am Balanceranschluss dran bleiben könnte. Einziges Manko: die Zellen sind hinterher nicht gleich voll geladen.
Ich habe den Akku aus der Schaltung rausgenommen und nachgeladen. Der Unterschied zwischen den Zellen ist gleich, wie oben. Bei der zweiten Zelle misst man ertwas mehr, als bei der ersten Zelle und bei der dritten Zelle etwas mehr, als bei der zweiten Zelle. Die Zellen sind aber etwas voller, wenn der Akku ausgebaut war, ca. 0.01 bis 0.02V. Wobei mir lieber ist, wenn die nicht ganz so voll geladen werden. Zu voll ist auch nicht gut.
MfG
ARetobor
25.11.2019, 21:40
Hallo Moppi,
ich kann erst mal keinen gedanklichen Fehler feststellen.
Ein übersichtlicher Schaltplan würde aber die Diskussion über die Funktion
etwas erleichtern.
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, sind die Balancer im Akku integriert?
Nun, 10 mV könnten durchaus eine akzeptable Toleranz sein?
Wie voll die Zellen geladen werden bestimmt das Ladenetzteil mit der Ladeschlussspannung.
Gruß
AR
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, sind die Balancer im Akku integriert?
Nein, aus dem Akku kommen nur die Anschlüsse zu den einzelnen Zellen heraus. Das Ladegerät lädt am Anfang schnell und fast voll. Am Ende jede Zelle einzeln bis max. 4.2V (4.22V soll Ladeschluss sein).
Nun, 10 mV könnten durchaus eine akzeptable Toleranz sein?
Ich habe schon gedacht, dass das auch Fehlerquote am Messgerät ist. Wenn bei der ersten Zelle 4.17V angezeigt wird (und es sind tatsächlich 4.174V). Dann sind das mit der zweiten Zelle 8.348V und am Messgerät 8.35V usw. Manchmal liegen die Zellen tatsächlich etwas auseinander. Wenn sie gealtert sind, dann wohl auch etwas mehr. Dann entladen sich die Zellen auch unterschiedlich schnell.
MfG
ARetobor
25.11.2019, 22:05
Wie,
3 mal 4,22 Volt kommen aus dem Ladeteil?
Gruß
AR
Nein, ein mal 4.22V. Die Zellen werden nacheinander ganz geladen.
ARetobor
25.11.2019, 23:42
Das ist aber umständlich.
Gruß
AR
...
1. Das Chassis fährt zur Ladestation und dockt dort an.
Wie hast du dir denn die Kontaktierung zur Ladestation, die ja wohl mindestens 4 Pole haben muß, vorgestellt? Die muß ja automatisch erfolgen.
MfG Klebwax
Ich könnte mir zwei Varianten vorstellen. Eine mit drauffahren und eine mit reinfahren. Holomino hatte das mit dem Reinfahren ja schon. Allerdings würde ich eine Variante, wo drauf gefahren wird, bevorzugen. Weil durch das Eigengewicht ein sicherer Kontakt möglich ist. Dann also eher ein Federkontakt von unten, das Ding fährt vorwärts in die Ladestation, ein Stück rein und drückt auf die Kontakte. Ja, vier Kontakte Minimum.
MfG
ARetobor
26.11.2019, 09:57
Hallo Moppi,
warum nimmst du nicht gleich 3 Ladenetzteile,
oder erzeugst die Ladespannungen selbst?
Gruß
AR
Habe noch keinen Laderegler gebaut. Sonst wäre ich in der Richtung sicher schon schlauer. So eine fertige Platine mit Laderegler, Balancer und Gehäuse drum herum kostet 13 EUR.
Holomino
28.11.2019, 10:44
Wenn Du Spaß hast, so etwas selber aufzubauen, hier ein Ansatz:
34543
Zu beachten bei der Sache:
- Im Grunde genommen besteht das Teil aus der Grundschaltung eines Step-Down-Wandlers (http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/abw_smps.html FET, Diode, Spule, und ein wenig Lowpass durch die beiden Kondensatoren an Ein- und Ausgang). Dabei zu optimieren die neuralgischen Strompfade (http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler), ansonsten bekommt man einen miesen Wirkungsgrad und entsprechend heiße Bauteile.
- Die Regelung hat wegen der quasi konstanten Last (dem Akku) keine besonderen Geschwindigkeitsanforderungen. Man kann den Ladestrom mithilfe von Spannungsteilern und AD-Wandlereingängen im 100ms-Takt über den Shunt messen und sich mit der PWM (60kHz) langsam anpirschen.
- Die 10Bit Auflösung der AVR-typischen Wandler kann man mithilfe von Oversampling noch relativ realitätstreu auf 12 Bit aufpoppen (Zeit hat man für diese Mehrfachmessungen genug). Dann kommt man mit Kalibrierung im Bereich 0..16V auflösungs- und genauigkeitsmäßig ohne weitere Maßnahmen in Richtung +/- 30mV, auch wenn der Laderegler (macht schon etwas Radau) neben dem Controller sitzt. Was man allerdings beachten sollte (war bei mir im ersten Entwurf nicht so dolle): Die Massereferenz der ADWandler (also des Controllers) sollte einzeln möglichst direkt an der Akkumasse abgenommen werden. Diese Leitung mit Last oder Lader zu teilen führt zu sichtbaren Fehlmessungen.
Den Ladeschluss erkennt man an den differenziellen Spannungen von Cell1..3. Den geladenen oder entnommenen Strom misst man durch (UShunt -Cell3)/RShunt. Ob der Ladekontakt bei so was Mobilem getroffen wurde, ist über UCharger sichtbar (die Spannung muss man auch nicht so hochohmig abnehmen und anschließend über den OP impedanzwandeln). Am Controller braucht man also 5 AD-Eingänge und den PWM-Ausgang. Mit drei weiteren Ausgängen und ein paar Transistoren/Widerständen würde man auch die Balancergeschichte in den Griff bekommen.
Holomino,
ich finde das super, dass Du mir das näher bringst und bitte korrigiere mich, wenn im Folgenden etwa falsch liege!
"UNO" stellvertretend für ATmega328p.
Wenn Du Spaß hast, so etwas selber aufzubauen
Genau das ist eben nicht der Fall. Weil ich weiß, dass bei Fehlkontsruktion viel auf dem Spiel stehen kann.
Im Grunde genommen besteht das Teil aus der Grundschaltung eines Step-Down-Wandlers
Ja, sollte so sein. Weil so ein Teil grundsätzlich als Ladeschaltung fungieren kann, wenn Spannung und Strom einstellbar sind. Daher würde ich dann, für diesen grundlegenden Schaltungsteil, auch so etwas verwenden und zumindest diesen also nicht selber bauen. Da wäre jetzt die weitergehende Frage, wie man so einen Step-Down-Wandler erweitert, dass er direkt 3 Zellen laden kann. Außer, dass man alle drei Zellen zugleich lädt.
Es soll versucht werden, die Zellen auf dasselbe Ladungsniveau zu bringen, indem sie unabhängig geladen werden. Hier wäre es dann möglich, frühzeitig zu erkennen, wann ein Akku ausgetauscht werden sollte. Die Zellen werden dann unterschiedlich schnell geladen sein. Auch beim Entladen würde man das erkennen können, ob eine Zelle schneller entladen ist, als zuvor.
Ob der Ladekontakt bei so was Mobilem getroffen wurde
würde ich daran feststellen, ob sich die Spannung am AD-Eingang eines UNO erhöht, mit dem ich die Zellspannungen überwache.
Ob ein Balancer notwendig wäre, würde ich für meine Zwecke dann jetzt auch anzweifeln wollen. So, wie ich da verstanden habe, dient der dazu die Zelle schonend randvoll, bis zum Ladeschluss von 2.42V, zu machen. Wobei dann überflüssiger Strom in Wärme umgewandelt wird. Energievernichtung könnte ich mir auch sparen. Ob ich das so brauchen würde, um eine Zelle bis 4.19V voll zu laden, wenn ich das durch sporadisches Nachmessen der Zellspannung kontrolliere?
1. Muss ich von 220V~ auf 13 bis 16V runter. Ich bräuchte also noch ein Netzteil (das in einem Fertiggerät schon integriert ist. Warum genügen zum Laden eigentlich nicht tatsächlich dann an einem Step-Down-Wandler eingestellte 4.19V mit einem auf 1A begrenztem Ladestrom?
2. Wie lade ich mit Step-Down-Wandler jede der Akku-Zellen einzeln? Funktioniert doch nur mit Umschalten des Ladestroms zu den einzelnen Zellen?
Wenn ich einen Fertiglader verwende, würde ich sicher noch die Ladeanschlüsse mit Relais trennbar machen, um einfach so den Ladezustand an den einzelnen Zellen mit einem UNO zu überprüfen und sicherzustellen, dass einzelne Zellen nicht überladen werden, sondern Luft nach oben bleibt. Ebenso, wie ich sie beim Entladen nicht ganz leeren würde. Das sollte die Zellen schonen. Wobei meine Idee jetzt ist, die Zellen im Betrieb ständig zu überwachen und ein zu tiefes Entladen jeder einzelnen Zelle zu verhindern. Weil das ist ein großes Problem in der Praxis und macht die Akkus relativ schnell abfalltauglich.
MfG
Nein, ein mal 4.22V. Die Zellen werden nacheinander ganz geladen.
Das ist aber ungewöhnlich. So ein Ladegerät ist mir noch nie untergekommen. Das verlängert bei einem 3s die Ladezeit aufs Dreifache, Ein 10s dauert ja dann ewig.
Normalerweise werden alle Akkus in einem Pack in Reihe, so wie sie verschaltet sind, geladen. Als Balancer ist eine elektronische Zenerdiode mit scharfem Kennlinienknick parallel an jeder Zelle. Die fängt bei der Ladeschlußspannung dieser Zelle an zu leiten und begrenzt die Spannung, auch wenn die anderen Zellen weiter geladen werden. Bei vielen größeren Packs ist das fest eingebaut. Die werden dann einfach mit zwei Anschlüssen aufgeladen. Die chinesischen BMS (https://www.aliexpress.com/item/33009868677.html?spm=a2g0o.productlist.0.0.485927d cdTVMRW&algo_pvid=57dac58b-38a6-42e9-88be-d195f376e891&algo_expid=57dac58b-38a6-42e9-88be-d195f376e891-0&btsid=9e9587e3-f61a-4b6a-90dc-604dbeb0e494&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_3,searchwe b201603_53) haben dann immer noch einen Tiefentladeschutz eingebaut.
MfG Klebwax
ARetobor
28.11.2019, 13:20
https://www.ebay.de/i/173285908638?chn=ps&norover=1&mkevt=1&mkrid=707-134425-41852-0&mkcid=2&itemid=173285908638&targetid=527969220913&device=c&mktype=pla&googleloc=1003867&poi=&campaignid=1669295758&mkgroupid=63847509999&rlsatarget=pla-527969220913&abcId=1139676&merchantid=112395739&gclid=EAIaIQobChMI3pzyy_6M5gIVAuJ3Ch1h_w42EAQYAiAB EgI-i_D_BwE
Ich würde zB. so etwas anpassen.
Eine kleine Halogenlampe als Kurzschlussschutz.
Holomino
28.11.2019, 15:10
Das grundsätzliche Verfahren zu Laden eines Li-Akkus gliedert sich in zwei Phasen:
Man lädt mit konstantem "Volldampf"-Strom (z.B. 1A) und überwacht dabei die Zellspannungen. Erreicht man die Ladeschlussspannung (nominal max. 4,2V bei LiPo) endet diese 1.Phase. Der Akku ist damit aber noch nicht randvoll.
In der zweiten Phase wiederholt man in der Praxis bei µC-Ladern genau die erste Phase, jedoch mit stufenweise abgesenktem Strom (0,9A, danach 0,8A, … bis herunter zu einem Minimalstrom von vielleicht 0,1A). Das man mit abgesenktem Strom noch etwas in den Akku hineinbekommt, liegt darin begründet, dass die Akkuspannung sofort nach wegnehmen des Ladestromes auf einen Ruhepegel unterhalb der Ladeschlussspannung zurückfällt. Die Leerlaufspannung einer randvollen Zelle liegt gar nicht bei 4,2V. Modellhaft kann man sich das durch einen in Reihe zur Zelle geschalteten Widerstand vorstellen, der die messbare Klemmspannung bei Stromfluss sowohl beim Laden als auch beim Entladen gegenüber der eigentlichen Spannung in der Zellchemie verfälscht. Man muss also beim Laden immer etwas "pumpen" damit was reingeht. Beim Entladen ist das, was intern in der Zelle abläuft, nicht so arg, wie von außen an den Klemmen gemessen.
Das ist der Theorieteil, aus dem Du zumindest entnehmen kannst, was zu messen ist:
Spannung: Geht über einen AD-Wandler
Strom: Geht indirekt über Spannungsmessung, wenn man einen Shunt oder einen Stromsensor hat.
Die typischen fertigen StepDown-Module haben die Aufgabe, eine konstante Spannung zu liefern, dabei regeln sie dynamisch den vom Verbraucher entnommenen Strom, indem sie die Ausgangsspannung überwachen und entsprechend die PWM hoch- oder runterstellen. Geht bei Deinem Arduino also eine LED an und steigt dadurch der Strom um 10mA, fällt zuerst die Spannung am Regler ab und der Regler dreht die PWM etwas auf, wodurch die Ausgangsspannung wieder angeglichen wird, weil der Regler nun mehr Strom liefert. Allerdings ist das ein Regelkreis im IC, an dem spielt man besser nicht herum. Damit kann man also wenig anfangen.
Einzelzelllader-ICs verwenden und so die Balancerproblematik umgehen: Klingt verlockend. Man muss sich aber fragen, warum macht das keiner?
Die Teile leiten das eingangsseitige Massepotential direkt an den Minuspol der angeschlossenen Zelle durch. Bei drei in Reihe geschalteter Zellen gibt's also nen fetten Kurzschluss bei einer gemeinsamen Versorgung. Drei Netzteile für drei Zellen verwenden würde gehen, ist aber noch mehr Aufwand.
Umschalten? Man braucht für drei Zellen 6 Umschalter, um jeweils + und - der Ladeschaltung an + und - der entsprechenden Zelle anzudocken. Dazu braucht man entweder ein gemeinsames Potential, damit die Umschaltung nicht auch noch als negative Spannung anzusteuern ist oder eine galvanische Trennung (z.B. Relais = teuer, groß, stromfressend). Außerdem verlängert sich die Ladezeit. Ein Heidenaufwand also.
Fertiglader: Du sagst ja selber, Du möchtest Monitoring betreiben, die Zellen einzeln überwachen und ggf. früher abschalten. Ich habe Dir oben im Plan gezeigt, wie das sinnvoll hochohmig und mit Impedanzanpassung über einen OPV an den AD-Wandler angedockt werden kann. Niederohmiger könnte man sich den OPV sparen, aber man bekommt durch die Spannungsteiler an den einzelnen Zellen wesentliche Ungleichgewichte. Wenn Du z.B. mit 33k/10k abgreifst, gehen durch den Spannungsteiler der untersten Zelle nominal nur 3,7V/43k = 85µA, bei der obersten sind es 11V/43k=250µA. Da aber die 250µA der obersten Zelle aus allen Zellen entnommen wird, bekommst Du alleine dadurch (die mittlere Zelle nicht eingerechnet) bei dauerhaft angeschlossenen Messteilern ein Ungleichgewicht von 165µA, in einer Woche sind das eben mal 27mAh. So viel Ungleichgewicht werden die üblichen Balancer gar nicht los, wenn sie sinnvoll entworfen nur im letzten, schnell steigenden Abschnitt der Ladekurve (ab 3,8V) arbeiten.
Was auch noch dazukommt: Das Monitoring und alle Verbraucher müssen komplett abschaltbar sein. Du willst nicht, dass Dein Akku dicke Backen kriegt, weil der Robby vor einer versehentlich geschlossenen Tür gescheitert ist.
Sprich: Der Lader ist eigentlich nicht das Aufwändige, das Drumherum ist das Übel.
Wenn Dir der Lader Bauchschmerzen bereitet, als abgespecktes Experiment in der Vorweihnachtszeit (kleine Schaltung auf Lochraster):
- Lasse in der Schaltung den ganzen Messkram einfach weg, ersetze den BSS138 durch einen BS170 (ist als THT einfacher zu löten).
- Nimm Dir nen fetten 22R-Zementwiderstand als Akkusimulator (glaub mal nicht, dass ich solche Schaltungen mit "lebenden" Akkus teste)
- Lass den Shunt weg und schalte stattdessen Dein Multimeter als Strommesser zwischen Lastwiderstand und StepDown.
Wenn ich mich nicht verzählt habe, bleiben so letztendlich noch 14 "Bauteile" übrig: zwei Transistoren, zwei Dioden, zwei Kondensatoren, eine Spule und drei Widerstände, ein Lastwiderstand, Dein Labornetzteil als Fütterungsstation, das Multimeter und Dein Arduino, mit dem Du die PWM erzeugst (Masse verbinden nicht vergessen).
Als Bescherung bekommst Du dann vielleicht die Erleuchtung, wie so eine Schaltquelle funktioniert und was passiert, wenn man Last, Eingangsspannung oder PWM-Wert ändert.
(Ich zumindest war damals nach langer Recherche/ Unschlüssigkeit ziemlich baff, als ich dann doch den ersten Aufbau gewagt hatte und der auch noch unverschämterweise auf Anhieb funktionierte)
Hallo Holomino,
Was auch noch dazukommt: Das Monitoring und alle Verbraucher müssen komplett abschaltbar sein. Du willst nicht, dass Dein Akku dicke Backen kriegt, weil der Robby vor einer versehentlich geschlossenen Tür gescheitert ist.
Sprich: Der Lader ist eigentlich nicht das Aufwändige, das Drumherum ist das Übel.
Wir sollten uns zusammen tun. Ich sehe es genau anders herum. Für mich ist das Drumherum eher kein Problem. :)
Du möchtest Monitoring betreiben, die Zellen einzeln überwachen und ggf. früher abschalten. Ich habe Dir oben im Plan gezeigt, wie das sinnvoll hochohmig und mit Impedanzanpassung über einen OPV an den AD-Wandler angedockt werden kann.
Ja, ist für mich leider alles viel zu undurchsichtig, weil mir die Praxis fehlt. Es liegt - glaub ich - weniger an Deiner Beschreibung.
Aber wie gesagt, für 13 EUR habe ich eine fertige Platine (ca. 8x4cm groß) mit allem was zum Laden von 3- und 4-Zellen LiPos notwendig ist, inkl. Netzteil von 220V auf was anderes.
Nehme ich Relais mit Optokoppler. Klar benötigt mehr Platz, aber der ist dann in der Ladestation vorhanden.
Also Relais und Lader kämen in die Ladestation. Steuern könnte ich die Ladestation per ESP-12E. Seitens des Roboters würde ich den ESP-12E vom Strom trennen, solang ich den nicht brauche. Steuern tu ich, im Standmodus, allein mit einem ATmega328P, der mit 3.3V betrieben wird. Der 328P überwacht dann auch die Spannung an den einzelnen Akkuzellen. Wenn eine Akku-Zelle fast leer ist, bläst der 328P zum Laden, indem er den ESP-12E einschaltet, der dann die Steuerung des Roboters übernehmen könnte und die Ladesteuerung, wenn er an/in der Ladestation steht (falls der die dann findet). Falls ich Daten speichern und laden muss, kommen die dann in den Speicher vom ESP-12E und falls der 328P Daten laden muss, holt der sich die dann von dort. Ist nach einem Neustart alles initialisiert und der Roboter dort, wo er sein soll, kann der ESP-12E abgeschaltet werden.
MfG
- - - Aktualisiert - - -
Hier hat mal jemand so ein 3s-Lader aufgebaut: https://fpv-community.de/threads/lipo-ladegerät-mit-balancer-eigenbau.64194/
Hat er alles gut beschrieben und erklärt. Wer in der dunklen Jahreszeit zu Weihnachten Lust drauf hat, der hat hier glaub ich ein passendes, erprobtest Projekt.
Holomino
28.11.2019, 16:33
Fragen:
- Du schaltest das Netzteil des Ladegerätes über nen ESP. Wie wird der ESP versorgt?
- Wie misst Du an der Ladestation, dass auch die Kontakte der Balanceranschlüsse verbunden sind?
- Wie ermittelst Du den Ladeschluss ohne Strommessung?
- Ein Grund, die Lademimik on-board zu nehmen war bei mir, Messfehler durch Kontaktwiderstände zu vermeiden (da rastet nix ein, wie bei gewöhnlichen Steckern, zuverlässig geht Anders). Wie willst Du das handhaben?
- Üblicherweise misst man die Zellen, wenn der Balancerstrom nicht fließt. Wie willst Du das synchronisieren?
Holomino,
das ist alles noch gar nicht ausgereift. Du treibst mich gerade an :)
Du schaltest das Netzteil des Ladegerätes über nen ESP. Wie wird der ESP versorgt?
Das würde mir am besten gefallen, wenn ich die Ladestation über zwei zusätzliche Kontakte vom Roboter aus versorge. Bloß, eigentlich muss die ja Strom haben, wie soll der Roboter die sonst finden?
Wie misst Du an der Ladestation, dass auch die Kontakte der Balanceranschlüsse verbunden sind?
Am 328P, an den AD-Eingängen. Wenn der LiPo nachgeladen werden muss, sinkt die Einzelzellspannung auf 3.3 bis 3.7V. Beim Laden sollten das 4.2V sein, die dann an einer Zelle anliegen. Wenn der Wert also von 3.7V deutlich gestiegen ist, weiß ich, dass Kontakt da ist - so meine Vorstellung. Hier könnte es das ein oder andere Problem geben, aber: die Kontakte würde ich so großzügig auslegen, dass die einen Kontakt zum Roboter haben müssen, wenn der die Ladestation getroffen hat. Übrigens kann ich auch erst das Ladegerät an die 220V anschalten, das würde nichts machen.
Wie ermittelst Du den Ladeschluss ohne Strommessung?
Macht das Ladegerät ja selber. Das würde also sowieso abschalten. In Abständen von meinetwegen 6 Minuten kann ich die Ladekontakte unterbrechen und der 328P ermittelt die Spannung an den Zellen. Sollte eine Zelle über 4.2V sein, könnte ich das Laden abbrechen.
Ein Grund, die Lademimik on-board zu nehmen war bei mir, Messfehler durch Kontaktwiderstände zu vermeiden (da rastet nix ein, wie bei gewöhnlichen Steckern, zuverlässig geht Anders). Wie willst Du das handhaben?
Die Übergangswiderstände sind bei den Relais vorhanden und betragen - anscheinend typisch - 100mOhm. Für das Ladegerät sollte das kein Problem sein, da ja an Stecker und Kabel vom Akku normalerweise auch schon mit einem Übergangswiderstand zu rechnen ist. Ein Übergangswiderstand, bei den Kontaktflächen, sollte vernachlässigbar sein, weil die vermutlich eine Fläche von ca. 2cm² haben werden und die eigentliche Kontaktfläche vom Roboter bei ca. 5mm² liegen dürfte (muss ich mal schauen, was sich da realisieren lässt).
Üblicherweise misst man die Zellen, wenn der Balancerstrom nicht fließt. Wie willst Du das synchronisieren?
Wie gesagt, stelle ich mir vor, dass der Roboter die Ladestation steuert. Der könnte also die Ladekontakte zu- und abschalten. Weiter oben im Thread hatte ich schon geschrieben, dass es möglich ist, den Akku in der Schaltung zu belassen, das Ladegerät stört es nicht. Dementsprechend würde der 328P auch dauernd die Zellspannung messen, egal ob die Ladekontakte geschlossen sind oder auch nicht.
MfG
- - - Aktualisiert - - -
Mir ist gerade noch was eingefallen zum Thema:
Wie misst Du an der Ladestation, dass auch die Kontakte der Balanceranschlüsse verbunden sind?
Wenn ich mit Relais schalte, sind das immer Wechsler. Die Kontaktflächen in der Ladestation werden dann also immer an den einen oder anderen Kontakt, im Relais, gelegt. Solang das Relais nicht umgeschaltet hat, kann ich so auch die Zellspannung des Roboters in die Ladestation verfügbar machen, wo sie ebenfalls gemessen werden kann, meinetwegen auch mit einem 328P. Dann könnte direkt der Kontakt "gemessen" werden. Wenn der Kontakt dann sichergestellt ist, können die Relais umgeschaltet und das Ladegerät an die 220V verbunden werden.
Holomino
28.11.2019, 18:09
Das mit den Kontakten meinte ich nicht auf Relais bezogen. Ich meinte die Kontakte zwischen dem fahrenden Roboter und der Ladestation. Zur Energieübertragung könnte man sich ja noch etwas Kontaktloses vorstellen. Zum Messen taugt das nicht - und bei der Balancergeschichte wird das Illusorisch. Entsprechend ist die Idee, Lader- und Balancerkombination in die Ladestation einzubauen gelinde gesagt suboptimal. 50mOhm pro Kontakt verfälschen das Ergebnis bei 1A Ladestrom schon um 100mV (!Die Masse wird auch über solch einen Kontakt geführt).
Die Netzspannung über die Ladekontakte zum 13€-Ladegerät auf dem Roboter zu führen ist auch nicht gut. Wenn man Netzteil und eigentliche Ladeschaltung nicht trennen kann, ist es ergo wohl das falsche Gerät.
Die Netzspannung über die Ladekontakte zum 13€-Ladegerät auf dem Roboter zu führen ist auch nicht gut.
Wird auch nicht gemacht. Also wenigstens nicht Netzspannung in dem Sinn von 220V~. Wenn dann handelt es sich um Gleichspannung bis 5V, bzw. eben das, was aus dem Ladegeräteanschluss raus kommt (bis 20V).
Entsprechend ist die Idee, Lader- und Balancerkombination in die Ladestation einzubauen gelinde gesagt suboptimal.
Ich finde die Lösung sogar optimal. Weil der Roboter die Ladeschaltung und alles dazugehörige nicht herumschleppen muss. So steht das ein Mal an einem Ort und kann von jedem Eigenbau-Roboter genutzt werden.
Ist zwar noch nicht spruchreif, aber ich habe mal geschaut, was es an Bastelkram so gibt, vielleicht kann der ein oder andere hier was finden, so Anfragen gab es hier im Forum ja schon öfter mal:
amazon.de/Piko-55200-Gleis-gerade-239mm/dp/B0000WPM4W/
amazon.de/Cartronic-82000-Speed-Gerade-Autorennbahnen/dp/B00NM21AJS/
amazon.de/Cartronic-Geraden-1-spurig-Erweiterung-Auto-Rennbahnen/dp/B071K63M5C/
conrad:
roco-40500-h0-stromzufuehrung
maerklin-7164-h0-modellbahn-schleifer-ac
piko-g-36110-g-modellbahn-schleifer-dc
mayerhofer-modellbau-40320-h0-schleifkontakte
maerklin-7194-schaltschiebefeder
Die Links bitte kopieren und in die Browserzeile einfügen, die Conrad-Links werden durch die Forensoftware manipuliert/umgeleitet und funktionieren nicht.
Bei Conrad auf die Seite gehen und in das Suchfeld jeweils den Text rein kopieren
Holomino
28.11.2019, 23:22
Da ja sowieso jeder das Zentrum seines eigenen Universums bildet und ich nicht wirklich behaupten mag, die Weisheit mit Löffeln gefrühstückt zu haben, bleibt mir an dieser Stelle nur, Dir viel Glück und auch Erfolg mit Deinem Ansatz zu wünschen.
Man muss ja nicht immer dem Mainstream folgen und wahrscheinlich auch nicht nur da forschen, wo das Ende des Wissens der gesamten Menschheit liegt. Manchmal tut man gut daran, Alternativen auszuprobieren, die entweder durch Erfolg Altgedachtes revidieren oder zumindest beim Scheitern ein neues Ausschlusskriterium definieren.
Insofern - ich drück Dir ehrlich die Daumen!
Hmm. Ok.
Das ging jetzt ziemlich flott von Höcksken nach Stöcksken und noch ein Stück weiter. So was würde ich mal Brainstorming nennen. :)
Aber da Du mich gefragt hast, ist das eben so ungefähr die Vorstellung, die ich hätte.
Wobei nicht anzunehmen ist, dass ich andere Lösungen "schlecht" fände, das ist bei weitem so nicht. Es ist nur so, dass ich mal ein kurzfristiges Ziel habe, für das ich mir Möglichkeiten suchen muss, die ich zum funktionieren bringen kann und die mich nicht übermäßig lange fordern. Denn ich will damit eigentlich was anderes ausprobieren, was mehr die softwareseitige Lösung betrifft. Daher muss ich einfach sehen, was für mich jetzt so mal machbar ist und für mich funktioniert. 100%ig optimale Lösungen gibt es selten.
Das Thema ist hier entstanden, weil ich mir gerade Gedanken darum gemacht habe, wie man so etwas lösen könnte und ich die Lösung mit Relais auch nicht gerade so optimal finde. Ich habe also einfach mal über so eine Ladestation nachgedacht und es scheinen sich ja doch Lösungen abzuzeichnen. Aber: das ist eine Sache, die ich nicht unbedingt bräuchte, die aber schön wäre, wenn sie da ist. Weil das ständige manuelle Aufladen der Akkus stört mich doch ein wenig.
Das Wichtigste wird jetzt sein, dass diese Plattform kommt und die zum Fahren gebracht wird. Und hoffentlich über die Bodenleisten in den Türrahmen. Dann soll das Teil zuerst einer Linie folgen und dann klärt sich die Frage, ob ich mehr Aufwand treiben muss, damit sich der Roboter auch ohne Linie orientiert oder ob es dafür eine rel. simple Lösung gäbe, denn er müsste ja die Ladestation finden. Ich hatte schon auf eine Kameralösung spekuliert, dass sich der Roboter an optischen Markierungen orientiert, das ist aber etwas kostspieliger, die Kamera braucht Platz und Markierungen müssen angebracht werden, wenn sich die Umgebung nicht zur Orientierung eignet. Also mal sehen...
MfG
Holomino
29.11.2019, 15:41
100%ig optimale Lösungen gibt es selten.
Das ist ja nicht ganz richtig. Ein Küchenmixer lässt bei intentionskonformem Gebrauch eigentlich keine Wünsche offen. Du darfst nur nicht drauf kommen, damit ein Loch in die Wand bohren zu wollen.
Insofern sehe ich es als kritisch, ein 13€-Gerät so zu adaptieren, dass es Deinem Anwendungsfall anstandslos folgt. Der Drumrum-Aufwand scheint mir gegenüber der Handvoll Bauteile, die Du für einen eigenen Lader brauchst, nicht angemessen.
Allerdings bin ich auch zugegebenermaßen hier im Forum wohl einer der letzten Bauteilfummler, die ihre Platinen noch selber ätzen, statt sich ausschließlich oder zumindest regelmäßig aus dem reichhaltigen Fundus der chinesischen Billigstmodule zu bedienen. Wie oben schon gesagt: Da ist jeder das Zentrum seines eigenen Universums.
Ich verstehe zu wenig von Ladeschaltungen. Drum kann ich so etwas nicht mal eben bauen und erklären müsste man es mir von der Pike auf. Sonst kann ich schwer folgen. Ich hatte nun schon einige Fragen gestellt, aber leider darauf auch keine Antwort bekommen. Gewisse Dinge weiß ich aber, weil ich sie einfach schon ausprobiert habe. Und darauf basierend jetzt nochmal anders gefragt und gedacht:
Ich bin auch immer noch der Meinung, ich habe das schonmal irgendwo geschrieben, dass ich auch gar keinen Lader in der Form bräuchte.
Warum nicht? - Weil wichtig ist, dass die Energie in die Akkuzellen rein kommt. Jetzt hier an der Stelle die Frage: Gibt es hierbei etwas zu beachten? Außer, dass die Zellen nicht überladen werden?
Jetzt ganz naiv einmal der Gedanke, wie folgt und von ganz vorn.
Ich nehme einen Step-Down-Konverter und stelle den auf 12,5V ein. Dann stelle ich die Strombegrenzung auf 1A ein. Den Konverter schließe ich an den Plus- und Minuspol des Akkus an. Dazwischen sind alle Akkuzellen in Reihe geschaltet. Jetzt nimmt der Akku die Energie auf, bis die Zellen "voll" sind, also kaum mehr Energie in den Akku hinein fließt. So weit muss das doch funktionieren? Schadet diese Vorgehensweise den Zellen im Akku?
Im zweiten Schritt müsste ich dafür sorgen, dass keine Zelle überladen wird. Also jede Zelle wenigsten ab und zu kontrollieren, welche Spannung dort schon anliegt.
Wenn ich den Akku in der Schaltung drin belasse, ist es dann überhaupt möglich, jede Zelle einzeln zu laden oder muss dazu der Akku nicht ausgebaut werden? Hier meine ich, eigentlich müsste er ausgebaut werden. Ob der Test funktioniert hat, den Akku zu laden, als an der Schaltung angeklemmt war, mal außen vor gelassen.
MfG
Holomino
29.11.2019, 16:36
Wenn Du ein Zell-Ungleichgewicht hast, ja. (->Balancing)
Ansonsten nein.
Informelle Frage: Wo bekommst Du den Konstantspannungs-Step-Down mit integrierter einstellbarer Strombegrenzung her?
Habe ich gekauft.
5,59 EUR bei Amazon, Step-Down/Step-Up, kostenloser Versand. Mit Blechgehäuse und Kühlkörper.
MfG
Holomino
29.11.2019, 16:49
Super, dann fehlen Dir ja nur noch das Balancing und das Monitoring, dass Deine Stromregelung im Step-Down sofort auf Balancerstrom herunterregelt, sobald es feststellt, dass eine Zelle das kritische Niveau von 4,2V erreicht hat.
Ist doch easy, oder nicht?
Danke für die Nachfrage, Holomino!
Bei dem letzten Konverter sehe ich gerade, dass ich gar nicht weiß, ob der Strom einstellbar ist. Ich war davon ausgegangen, weil der 2 Trimmer drauf hat. Ist aber Step-Up/Down. Gut, dass ich das mal gesehen habe!
Aber ich habe schon andere bestellt, das sind Konstanstromregler einstellbare Spannung und Strom, aber nur Step-Up. 3,19EUR, kostenloser Versand, ohne Kühlkörper und Gehäuse - gleich noch zwei nachbestellt.
Ob das so einfach ist? Wenn Du es sagst! :)
auf Balancerstrom herunterregelt, sobald es feststellt, dass eine Zelle das kritische Niveau von 4,2V erreicht hat
Das verstehe ich noch nicht.
Und mal noch was zur Einzelladung der Zellen:
Warum muss man die vollquetschen, bis nichts mehr reinpasst?
Die Zellen werden altern und unterschiedlich schnell vermutlich. So dass eine Zelle nie ganz so "voll" wird, wie eine andere Zelle. Für eine lange Lebensdauer lädt man die sowieso nicht voll. Daher könnte ich doch dann auch einfach alle Zellen laden, meinetwegen über so einen Konverter, bis eine Zelle meinetwegen 4V erreicht hat, dann höre ich auf zu laden, egal, wie voll die andern Zellen sind. Beim Entladen richte ich mich auch nach der schwächsten Zelle. Driften die Zellen zu weit auseinander bzw. verkürzt sich die Nutzungsdauer des Akkus erheblich, muss der ausgetauscht werden. Noch eine Frage: muss die Ladespannung größer sein, also beispielseise 13V (das wären pro Zelle 4.33V was ja eigentlich zu viel wäre, wenn eine Zelle so weit aufgeladen würde)?
MfG
Allerdings bin ich auch zugegebenermaßen hier im Forum wohl einer der letzten Bauteilfummler, die ihre Platinen noch selber ätzen, statt sich ausschließlich oder zumindest regelmäßig aus dem reichhaltigen Fundus der chinesischen Billigstmodule zu bedienen
Der letzte sicher nicht. Ich ätze zwar nicht selbst, mache aber viele Platinen. Für 11 bis 12€ bekomme ich einen Satz Platinen bis zu 100*100mm, durchkontaktiert und mit Lötstoplack. Meine Prozessorboards habe ich alle selber gemacht. Spannungsregler und die ublichen Sachen sind da gleich mit drauf. Wichtig ist die Adaptierung nach Außen: ein passender Stecker für Programmer/Debugger, eine Buchse oder Schraubklemme für die Stromversorgung, manchmal auch eine USB-Buchse um 5V von einer Wandwarze oder einer Powerbank zu nutzen. Zusätzlich LEDs und Testpads zum Debuggen mit Scope oder LA.
Nun kann und will ich nicht jedes moderne SMD Gehäuse selber löten. Daher verwende ich zusätzlich fertige Module, die häufig auch noch einfacher zu beschaffen sind, als das IC selbst. Diese setze ich als "Bauteil" auf meine Platinen. Die Innenschaltung dieser Module sehe ich aber als Teil meines Schaltplans, auch wenn ich das selber möglicherweise etwas anders gelöst hätte. Und wenn sie doch extern sein sollen, kommt ein passender Pinheader auf mein Board, damit möglichst glatte Kabel verwendet werden können.
MfG Klebwax
Ich habe in einem andern Forum noch weiter gelesen, ob laden, ohne Balancer, sinnvoll ist. Es gibt Leute die laden ohne. In dem Zusammenhang gibt es aber offenbar viel Gefahrenpotential durch Überladen. Es soll ein geringes Überladen genügen, dass ein Akku anfängt untauglich zu werden und später zu brennen. Ich traue mir durchaus zu, die Schaltung so zu bauen, dass der µC die Spannung kontrolliert und früh genug abschaltet. Aber, da das durch Software gesteuert ist, könnte früher oder später, durch Unachtsamkeit, sich ein Fehler einschleichen, so dass dann nichts mehr abschaltet oder zu spät abschaltet. Ich habe nach Netzteilen geschaut. Da bekomme ich etwas zwischen 5 und 12 EUR. Je nachdem, Schaltnetzteil oder Trafo. Ich spare mit einem zusätzlichen Netzteil keinen Platz, mit zusätzlichen Relais auch nicht. Relais setze ich aber auf jeden Fall ein. Zum Schalten der 220V~ sowieso. Das Wechselstromnetz abzutrennen, sehe ich als ein Muss an, kein Kann. Wenn ich eine fertige Ladeschaltung einsetze, erfüllt die alle Sicherheitsanforderungen. Ich hätte so zwei Sicherheitsstufen. Zum einen die fertige Ladeschaltung mit Balancer, die ein Überladen verhindern soll und vor Ladebegin kontrolliert, ob die Akkuzellen nicht zu tief entladen sind oder der Akku defekt ist. Sollte kein richtiger (ausreichender) Kontakt, zwischen Zellen und Ladegerät, zustande kommen würde auch das dazu führen, dass das Ladegerät vermutlich gar nicht lädt. Einen µC verwende ich immer zur Kontrolle, um früh genug das Laden zu beenden bzw. abzubrechen. Die Kontaktsicherheit zur Ladestation kann durch messen kontrolliert werden.
Die Ladestation hat nicht oberste Priorität, die werde ich dann bauen, wenn das Übrige funktioniert. Solange "schlafe" ich drüber und zur gegebenen Zeit treffe ich eine Entscheidung, wie ich es letzten Endes dann baue. Teile habe ich jetzt bestellt, um es so oder anders bauen zu können.
Es gibt auch MOSFET-Relais. Alle die ich fand, schalten aber nur geringe Ströme.
MfG
Die Diskussion ist jetzt schon relativ weit fortgeschritten, wenn aber noch mal grundsätzlich darüber nachgedacht wird ist es vielleicht nicht zu spät für grundsätzliche Überlegungen. Der Philosophie oben "Daher verwende ich zusätzlich fertige Module, die häufig auch noch einfacher zu beschaffen sind, als das IC selbst." finde ich auch sehr überzeugend.
Für Stromversorgungen bei mobilen Modulen habe ich lange überlegt ob NiMh Akkus mit ihrer Modularität in Haltern zu 3 oder 4 Stück besser sind oder ob man doch lieber LiIon Akkus nimmt, die ja leichter sind pro Kapazität aber nicht ganz so einfach zu laden. Ein Stabilisierung für den Verbraucher benötigt man häufig zusätzlich und eine Endabschaltung.
Insgesamt läuft es oft darauf hinaus, eine Powerbank nachzubauen die es im einfachsten Fall für nicht viel mehr als die LiIon Zelle gibt.
USB-Powerbank LOGILINK PA0085, 2200 mAh 3,95€
LiIon-Akku LG INR18650-MJ1, 3,6V, 3,5Ah 3,95€
LiIon-Akku Samsung ICR18650-22P 3,6V, 2,2Ah 3,50€
Man hat dann ein Modul mit 5V Eingang und 5V Ausgang und eigener Lade- und Abschaltkontrolle. (Auch noch mit Led Anzeige der Ladekontrolle.) Die zusätzliche Größe des eigenen Gehäuses und der Steckverbinder USB-A und USB Micro kann man ggf. auch noch leicht umgehen. Es gibt das Steuermodul höchstwahrscheinlich auch einzeln, aber für die Preisdifferenz habe ich es noch nicht gefunden.
(Nur mal so als Überlegung für den 5V Einsatz. Der Strom ist begrenzt und die Zusammenschaltung (oder Zusatzausgang, oder Extrakonverter) für höhere Spannungen muss auch noch gemacht werden. )
Ich habe verschiedene Spannungen.
- 12V für einen Lüfter
- Maximal 6V (besser nur 5V) für die Motoren
- 3.3V für einen ATmega328P
- 6V am Powereingang zum nodeMCU, der Spannungsregler dafür sollte bis 500mA liefern, so kann ich auch den verwenden, der auf dem Board drauf ist
Ich denke auch, dass in den meisten Robotern mehr als eine Spannung benötigt wird. z.B. die Saugroboter. Von daher bin ich jetzt gar nicht auf die 5V von der PowerBank gekommen. Ich denke aber auch, die ist schwerer, als ein LiPo mit gleicher Kapazität.
Ich bin leider ein LiPo-Anwender. Kommt daher, dass ich früher oft andere Akkutypen genommen habe und die alle nie lange durchhielten, nach meinem Empfinden war das immer viel zu kurz. LiPo hat mich zufriedengestellt. Weil eben hohe Ströme kein Problem sind, das Gewicht ist niedrig, die Spannung bewegt sich in einem engen Bereich, beim Zustand zwischen "voll" und "leer", sie lassen sich gut laden. 5500mAh sind in 5.5h, bei 1000mA Ladestrom, aufgeladen, da kann man fast eine Uhr nach stellen. Und 1000mA Ladestrom ist sozusagen die Schonvariante (weniger Ladestrom geht natürlich auch). Größere Akkus - gerade die 5500mAh - lassen sogar höhere Ladeströme zu, so dass die auch mit 3A oder 5A geladen werden können (je nach Akku), was die Ladezeit entsprechend verkürzt. So ist mein 5500mAh-Akku, bei 3A max. Ladestrom, dann eben auch in 1.5h bis 2h geladen. Der Akku kann immer nachgeladen werden, der muss nicht erst leer sein. Außerdem habe ich noch nicht festgestellt, dass ein LiPo beim korrekten Laden warm oder gar heiß wird. Wenn der wirklich warm wird, stimmt was nicht, dass ist mir nur ein Mal bis jetzt untergekommen, und da weiß ich nicht, was die Ursache genau war.
MfG
O.k. nur noch mal zur Verdeutlichung was ich meinte, hier ein Foto von einer Powerbank mit Akkuzelle.
Auf das Kunststoffgehäuse kann dabei leicht verzichtet werden.
34545
Holomino
30.11.2019, 16:22
Hat diese Powerbank die Funktion, während des Ladens den Ausgang freigeschaltet zu lassen?
Hätte die nicht, nein!
Ich habe so etwas hier: https://www.saturn.de/de/product/_hama-power-pack-trip-2398791.html
Nur meine ist noch größer, mehr Kapazität.
Holomino
30.11.2019, 16:34
Wie hält man dann einen Controller oder einen Raspberry während des Ladens am Leben?
Was meinst Du damit?
Meine Ursprungsidee war die, wie ich es schon gemacht habe, zwei Akkus einzubauen und jeweils einen abzuschalten und zu laden.
Da dies viel Aufwand ist, war dann die Idee, nur einen AKku zu nehmen und den während des Ladens in der Schaltung zu belassen.
Mehrere kleine Akkus lassen sich auch besser verteilen, als ein großer Akku.
----
Wenn Du die Powerbank meinst, meine soll während des Ladens nicht an Geräte angeschlossen sein.
Holomino
30.11.2019, 16:55
Das bezog sich jetzt rein auf die Powerbank.
Ok, wenn ein Akku nicht geht, weil die Last während des Ladens nicht versorgt wird.
Wie viele Schalter brauchst Du in Deinem Konzept mit mehreren Akkus? Ich zähle:
1 x Ladeausgang
2 x Balancer
1 x Verbraucher
multipliziert mit der Anzahl der Akkus, also bei 2 Akkus 8 Schalter?
Hmmm.
Akku ausbinden, Minuspol bleibt verbunden, Pluspol wird geschaltet, also pro Akku = 1 Schalter.
Wenn ich zum Laden denke, dass auch hier der Minuspol verbunden bleiben kann, dann pro Akku = 3 Schalter.
Wenn es nur 2 Akkus sind, kann man das Anschalten der Ladekabel über Wechsler machen. Dann bräuchte ich 3 Wechsler. In Bezug auf Kleinleistungsprintrelais könnten auch alle 4 Adern am Ladekabel geschaltet werden. Printrelais für 5V - 12V Versorgung haben, wenn ich nicht irre, 2 Wechsler. Daher 2 Relais mit ca. 1x2cm Grundfläche. Um einen Akku von der Schaltung zu trennen, 1 Relais. Macht zusammen 4 Relais, wenn man das so machen wollte.
Holomino
01.12.2019, 12:38
Sieht demgegenüber das Blockschaltbild einer USV nicht viel einfacher aus?
34547
Ich scheine wirklich keine Ahnung zu haben, Du hast Recht. Es tut mir leid, dass ich das so nicht gesehen habe!
Nutzt mir leider in der Form nichts, da ich andere Anforderungen habe. :(
Allerdings sehe ich bei dem Schaltbild nicht, wie, z.B.
- die Kontaktsicherheit gewährleistet ist, wie stellst Du fest, dass zum 220V~-Netz ein sicherer Kontakt gegeben ist?
- falls Du eine defekte Akkuzelle entdeckst, bleibt der Roboter dann stehen? Wie stellst Du sicher, dass der in einem solchen Fall trotzdem weiterhin funktioniert?
- wie findest der Roboter die Ladestation, wenn die keine eigene Stromversorgung hat und ohne, dass Leiterschleifen verlegt werden müssen?
MfG
021aet04
01.12.2019, 13:30
Ich würde einfach 2 Dioden nehmen. Die "Umschaltung" ist dann automatisch und unterbrechungsfrei. Mit Schottky Dioden hat man auch einen geringen Verlust. Wenn es noch geringere Spannungsabfälle geben soll, kann man einen Mosfet nehmen.
MfG Hannes
Holomino
01.12.2019, 14:33
Ich scheine wirklich keine Ahnung zu haben, Du hast Recht.
Wir sind alle hier, um Hilfe zu leisten und um zu lernen.
- die Kontaktsicherheit gewährleistet ist, wie stellst Du fest, dass zum 220V~-Netz ein sicherer Kontakt gegeben ist?
- wie findest der Roboter die Ladestation, wenn die keine eigene Stromversorgung hat und ohne, dass Leiterschleifen verlegt werden müssen?
Ein autonomer Staubsauger oder ein Mobilteil vom Festnetztelefon haben die Ladeschaltung intern. Von der Ladestation wird an den Kontakten nur die Niederspannung (z.B. ungefährliche 15V) zur Verfügung gestellt. Im Zweifelsfall erledigt diese Transformation ein einfaches Steckernetzteil. Damit ist die Ladestation auch entsprechend versorgt und kann aktive Navigationshilfen beinhalten.
- falls Du eine defekte Akkuzelle entdeckst, bleibt der Roboter dann stehen? Wie stellst Du sicher, dass der in einem solchen Fall trotzdem weiterhin funktioniert?
Die von Dir vorgesehene Redundanz ist so nicht durchführbar: Eine an Herzinfarkt (Kurzschluss/Überlast/Übertemperatur) sterbende Zelle ist ein Sicherheitsrisiko (bläht sich stark auf oder fängt Feuer). Dieses System noch einmal zur Ladestation bringen zu wollen, ist Suizid. Da kann man eigentlich nur noch komplett abschalten (NOTAUS). Eine an Altersschwäche leidende Zelle bekommt man nur durch regelmäßiges und langfristiges Monitoring diagnostiziert. Da hat man sicher noch einige Dutzend Tage Zeit, das Ungemach zu beheben.
Ich würde einfach 2 Dioden nehmen. Die "Umschaltung" ist dann automatisch und unterbrechungsfrei. Mit Schottky Dioden hat man auch einen geringen Verlust. Wenn es noch geringere Spannungsabfälle geben soll, kann man einen Mosfet nehmen.
MfG Hannes
Die aktive Umschaltung hat neben dem fehlenden Spannungsabfall über die Diode noch mehr Vorteile:
Bei unvorhergesehener Unterspannung (Ladestation nicht erreicht) schaltest Du die Weiche einfach auf "Ladekontakte". Da da zweifellos nichts dranhängt, schaltest Du damit Deine Akkus lastfrei und verhinderst eine Tiefenentladung. Du sparst also damit den Tiefenentladeschutz.
Beim Anfahren an die Ladekontakte würde sich die Last sofort über die Diode versorgen. Das beinhaltet dann auch das Kontaktbritzeln (Federweg) und die damit verbundenen Probleme (Anlaufen der Ladekontakte, Spannungsspitzen). Über den aktiven Schalter kannst Du den Zeitpunkt der Umschaltung verzögern und zumindest warten, bis der Roboter wirklich angehalten hat.
Guten Morgen!
Ändert alles nach wie vor nichts an der ursprünglichen Sache. Nämlich, dass ich einen Haufen Akkus hier habe, im Gesamtwert von bis zu 80 EUR, die ich für zukünftige Projekte gerne verwenden möchte. Jede Sache hat Vor-, als auch Nachteile. Was ich brauchen werde und für nützlich halte, ist auch nicht unbedingt einunddasselbe. Zuerst muss das Chassis fahren. Dann muss es über die Bodenhindernisse fahren. Dann muss sich das Gefährt an der Umgebung orientieren und einen bestmmten Punkt alleine aufsuchen können. Sollte das alles funktionieren, brauche ich eine Ladestation. Allerdings habe ich das Henne-Ei-Problem. Ohne Ladestation macht das am Ende alles keinen Sinn. Deswegen frage ich mich zuerst, wie kann ich eine Ladestation bauen und dann womöglich auch ohne elektromechanische Relais einzusetzen. Und nun kommen wir auf verschiedenste Sachen. Aber: mehrere kleinere Akkus haben den Vorteil der Masseverteilung und der Größenaufteilung, was eine flache Bauform möglich macht. Mehrere Akkus sind im Einzelnen günstiger auszutauschen. Wenn einzelne Akkus elektrisch aus der Schaltung herauszutrennen sind, können sie das evtl. auch bleiben. Das wäre ein Vorteil, dass ich einen neuen Akku besorgen kann, was schonmal eine Woche oder zwei dauern könnte, aber der Roboter währenddessen weiter Dienst tut. Die Gegenmaßnahme wäre, einen Akku früh genug zu bestellen, dafür brauche ich aber dann eine Prognose. Setze ich sofort meinen 5500mAh-Akku ein, bin ich direkt bei einer Bauhöhe von ca. 5cm. Bei 4 kleinen Akkus beträgt die Bauhöhe ca. 2cm bis 2.5cm. Für mich stellen ein paar Schalter in Mikroausführung, wie bei Printrelais, kein Problem dar; solange sie nicht den Platz im Roboter sprengen oder unnötig viel davon belegen. Ich habe z.B. auch ein NiMh-Ladegerät, dass fleißig vor sich hin klickert, beim Laden; ich habe das noch nicht auseiandergebaut, klingt aber nach einem Relais, was dort drin im Sekundentakt schaltet, vielleicht ist es aber auch was anderes. In der Kontaktzahl zur Ladestation sehe ich auch kein Problem. 3D-Drucker drucken genau genug für passende Gehäuse. Die Ladesation sollte freistehend sein. Zwar mit einem Kabel an die Steckdose, aber eben nicht fixiert - nicht an der Wand, nicht an einem Schrank. Eine Leiterschleife zum Auffinden der Station kommt nicht infrage. Eher sollte das optisch geschehen, dass es nicht nur auf einem Suchmechanismus beruht, der vielleicht Stunden dauert. Kontaktloses Laden kommt nicht infrage, weil sich zwar zwischen zwei Spulen mit Luftspalt zwar Energie transportieren lässt, aber mit Eisenkern zwischen den Spulen wäre es effektiver. Wie die Lösung am Ende aussieht, weiß ich noch nicht.
MfG
Holomino
02.12.2019, 10:55
Wie groß ist denn Dein Luftreiniger überhaupt? Wieviel Strom zieht er?
Steht noch gar nicht genau fest. Das was zurzeit läuft sind, typisch für so kleine Geräte, bis ca. 100 Milliampere. Aber ich würde noch was dazu bauen, was das dann benötigt, weiß ich noch nicht. Eventuell würde ich aus dem Einstufigen Teil jetzt auch was Mehrstufiges bauen. Den Versuch hatte ich schon, brachte aber keine bessere Wirkung, wegen aufgebautem Widerstand durch den Luftstrom, da müsste ich mehrere Lüfter verbauen.
:Weihnacht
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Habe gerade einen, nach Zellenspannung, fast vollen Akku geladen, der nicht i.O. ist. Eine Zelle mit 4.11V, eine mit 4.23V und die dritte mit 4.19V. Hat schon 20min geladen und war noch nicht fertig. Allerdings hat eine Gehäuseschraube Kontakt zu wärmeableitenden Teilen, so dass ich mir die Finger dran verbrannt habe. So einfach ist es nicht mit dem Erkennen von defekt oder nicht. Dem muss wirklich große Aufmerksamkeit geschenkt werden. Deswegen hatte ich schon die Idee, auch Temperatursensoren einzusetzen. Oder auch auf die Zeit zu achten. Wenn dann innerhalb einer vorberechneten Zeit ein Akku nicht geladen ist oder gar warm wird, abzubrechen.
Holomino
03.12.2019, 08:46
Eigentlich bleibt mir nur anzumerken:
Es gibt Li-Einzelzellen mit integrierter Schutzschaltung. Die sind zwar etwas teurer, als die Modellbaupacks - aber wesentlich billiger, als das Dach über dem Kopf.
Nochmal ergänzend, weil es mir gerade über den Weg gelaufen ist, wegend er Frage nach den Step-Down-Modulen: https://www.roboternetz.de/community/attachment.php?attachmentid=34328&d=1564554664
Siro hat ein ähnliches Modul gekauft: https://www.roboternetz.de/community/threads/73405-L78xx-welche-Kondensatoren?p=653647&viewfull=1#post653647
:Weihnacht
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