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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Low-Cost laderegler für Windrad


Autor: Sven-123 (Gast)
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Hallo,

ich erarbeite gerade einen Workshop für Kinder und Jugendliche zum Bau 
von Windgeneratoren. Wie immer in der Jugendarbeit darf das natürlich 
nix kosten und mir stehen insgesamt 5€ zur verfügung. Windrad und 
Generator selber habe ich schon sehr günstig realisieren können und 
suche nun eine schöne Möglichkeit den erzeugten Strom zu nutzen.

Je nachdem wie ich die Stator-Spulen verschalte werden (bei optimalem 
Wind) bis zu 16V/20mA oder 2V/160mA geliefert.

Meine Idee war nun das ganze erstmal gleichzurichten und dann zwei 
Mignon-Akkus in Reihe damit zu laden. Als Strombegrenzer (und netter 
optischer Effekt) kommt eine Glühlampe zum Einsatz und die 
Spannungsbegrenzung macht eine Z-Diode. Bei Windstille würde der Strom 
aus den Akkus über den Gleichrichter zurück in die Lampe fließen.

Mir ist klar, das die hohe Kunst des Akku ladens in einer anderen Liga 
spielt aber es geht mir ja mehr um den Aha-Effekt und den Beweis mit 
einem komplett selbst gebauten Generator sinnvoll Strom zu erzeugen.

Kann das so funktionieren, oder töte ich damit umgehend alle Akkus oder 
muss Wochen warten? Danke für eure Hilfe.

Autor: Franz (Gast)
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Hallo !

Also mit 4 V / 80 mA kannst du zwei Mignon-Akkus laden, dauert bis zur 
Volladung allerdings je nach Kapazität 10 bis 30 Stunden.

Wie wärs wenn du damit einen Kondensator auflädst und parallel dazu ein 
kleines Lämpchen betreibst.

Dann kann man bei Wind beobachten wie sich der Kondensator auflädt ( 
Lampe wird langsam heller ) und bei Windstille der Kondensator entlädt ( 
Lampe erlischt langsam ). Elko in der Grössenordnung von einigen mF wäre 
ausreichend, kleines Lämpchen ( z.B 6 V / 20 mA )

Mfg,

Franz

Autor: gast (Gast)
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wie hast du den "generator" und das windrad so günstig realisiert???

Autor: egberto (Gast)
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Goldcap und LED sind aber wohl die bessere Kombination(ob aber der 
GoldCap ins Budget passt??)

Autor: Sven-123 (Gast)
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> wie hast du den "generator" und das windrad so günstig realisiert???

Einmal rechen ich für 20 Exemplare und andererseits hat sich 
supermagnete.de zu einer kleinen Spende bereit erklärt. (Dort findet 
sich auch bald ein Bauplan). Ohne Magneten und Nutzelektronik liege ich 
bei 2,30, wobei allein 60ct auf den Kupferlackdraht (ca. 60m 0,25mm) 
entfallen. Die Magneten würden nochmal bei 2,08 liegen, womit 60ct für 
die Elektronik bleiben. Bei 24ct/Batterieclip und 14ct/Gleichrichter ist 
das aber nicht viel.

Ich hätte auch gerne die Anleitung gepostet, aber bei dem Bashing hier 
will ich das erst tun wenn sie wirklich fertig ist.

Autor: Sven-123 (Gast)
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GoldCap und LED wären definitiv unkaputtbarer. Das Geldproblem könnte 
man evtl. zurechtdeichseln aber ein 5,5V-Cap mit 0,1F kann 20mA gerade 
mal über 14 Sekunden leisten. Das ist ziemlich mau, oder habe ich mich 
verrechnet?

Das schöne an den Akkus wäre halt, das man sie laden kann und dann sagen 
"Meine Taschenlampe leuchtet gerade mit 100% selbstgemachtem Strom". 
(Der Workshop findet auf einem Zeltlager statt)

Autor: egberto (Gast)
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Stimmt, 0,1 F sind wenig 1 F besser - schau doch mal hier:

http://www.b-kainka.de/bastel48.htm

Autor: Gast123 (Gast)
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Ob Du Dich verrechnet hast hab ich jetzt nicht überprüft. Aktuelle sehr- 
oder superhelle Leuchtdioden sollten aber denk ich mit sehr viel weniger 
als 20mA auskommen. Die sind dann wahrscheinlich nicht mehr geeignet den 
ganzen Vorgarten zu beleuchten ;-) Aber zum verdeutlichen dass da 
wirklich Strom rauskommt sollte das reichen..

Autor: Sven-123 (Gast)
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Ja, danach hatte ich auch gerade eben kurz mal gesucht, danke.

Aber auch er kommt nur auf wenige Minuten. Das ist eigentlich nicht 
meine Liga. Das Windrad produziert 0,3Watt, so lange der Wind weht, also 
über Stunden und Tage. Theoretisch bräuchte es also für einen 
1600mAh-Mignon gerade mal 14 Stunden.

Autor: egberto (Gast)
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Na ok, aber eine LED solltest du an Stelle der Glühlampe schon 
verwenden.

Mit wenig Material sieht das dann in etwa so aus...Generator-> 
Schottky-Diode->Ladewidersstand->Akku....am Akku: 
Schalter->Vorwiderstand->Led

Andere Lösungen sind da ja schon aufwendiger aber wenn dein 
Ladewiderstand nicht zu klein ist, sollten die Akkus zumendest das 
Wochenende überleben.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

ob überhaupt mehr als Generator - Diode - Akku nötig ist, wird eher 
davon abhängen, ob der Generator noch anlaufen kann, wenn der Akku sehr 
weit entladen ist. Bei den Werten, die Du angibst, hätte ich mit keine 
Bauchschmerzen, die Strombegrenzung erledigt wohl schon der 
Innenwiderstand des Generators. Hänge Deine 2 Zellen an die 16V-Version 
über eine Diode ran und schau Dir den Ladestrom an, der sich bei den 
Windverhältnissen ergibt, schätze, ob Deine Wicklung da überlebt und 
schau, ob sich der Kram noch sinnvoll dreht.

Der "mißhandelte" Akku überlebt das länger als man meint, es kommt doch 
weder auf optimale Kapazitätsnutzung noch auf maximale Lebensdauer dabei 
wirklich an.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Sven-123 (Gast)
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Hm, Bauteile sparen hört sich schonmal sehr gut an.

Der Anlauf-Widerstand sollte kein Problem sein. Bei kurzgeschlossenen 
Spulen macht die Wellenträgheit (ohne Rotor) noch mindestens fünf 
Umdrehungen. Es gäbe da bei Luftspalt und verwendeten Magneten bestimmt 
noch Potential, aber es soll ja von Kindern gebaut werden.

Du meinst also ich sollte die Akkus mit der maximal verfügbaren Spannung 
von 16V vollbrutzeln, anstatt die Spannung zugunsten des Stromes etwas 
zu reduzieren. Mögen die das?
Dann wäre ja auch eine Z-Diode als Spannungsbegrenzer total überflüssig.

Der Ladestrom wäre so ja nur 20mA, oder verstehe ich das falsch?

@egberto:
Von einer LED hast du mich überzeugt (allein die Glühbirnenfassung 
kostet 28ct), ist auch viel robuster. Du würdest also den Ladewiderstand 
als Strombegrenzer verwenden? Werde das mal berechnen.

Schonmal vielen Dank für die Antworten, auch an Franz, dessen Post ich 
anfangs übersehen hatte.

Autor: oszi40 (Gast)
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a)Wenn keine Glühlampe ins Spiel kommt, ist der Akku schneller voll.

b)Wenn in Reihe zum Akku eine Glühlampe 24V 50mA kommt, könnte man ewig 
laden. Der Strom wird auf die 50mA begrenzt. Vorteil von Plan B ist, daß 
die Kinder den Strom wirklich "sehen" könnten.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Auch recht günstig sind 12V Schrittmotoren aus alten 5 1/4 Zoll 
Diskettenlaufwerken (Spurmotor), die liefern bei 6V um 50mA und auf die 
Aluscheiben auf der Achse lässt sich wunderbar nach Bohren und 
Gewindeschneiden der Repeller anbringen. Dann braucht´s nur noch Wind 
;-)

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

miß den Kurzschlußstrom der Geschichte bei üblicher Drehzahl, dann weißt 
Du, mit wieviel mA dein Akku maximal geladen werden könnten.

Ich würde jetzt mal schätzen, daß bei der 16V Schaltung nicht viel mehr 
als 50mA Ladestrom zustande kommen, wenn die Spannung durch die beiden 
Akku-Zellen auf rund 2,5...3V einbricht.

Alternative wäre eher eine Spannungsbegrenzung auf die maximale 
Ladespannung, 4x 1N400x in Reihe und dann parallel zu den Akkus sollten 
überladen eigentlich sicher verhindern.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ Sven-123
Am besten du probierst das mit dem GoldCap (1F/5.5V) mal aus.
Als Aha-Effekt reicht doch eine weiße LED+Widerstand an dem GoldCap.
(eventuell mit Schalter/Taster)

Aber einen Akku würde ich nicht mit diesem Strom laden, dafür braucht 
man eine ordentliche Laderegelung und kein Akku mag es halb aufgeladen 
zu werden und nach ein paar Stunden wieder etwas.

Eine super einfache und billige Schaltung kann ich nicht liefern.

Mehr als 5.5V kann der GoldCap nicht abhalteten und laden/entladen würde 
ich ihn nur mit ca. 25mA aber man kann ihn auch mit mehr Strom laden.

Autor: Esko (Gast)
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> Aber einen Akku würde ich nicht mit diesem Strom laden, dafür braucht
> man eine ordentliche Laderegelung und kein Akku mag es halb aufgeladen
> zu werden und nach ein paar Stunden wieder etwas.

NiCD Akkus sind extrem robust und langlebig.
Noch dazu nicht wirklich teuer.

Leider leidet die Verfügbarkeit etwas seit keine Consumer-Produkte mehr 
damit ausgestattet werden dürfen.

Autor: Sven-123 (Gast)
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So, ich habe das Gerät nun mal unter Realbedingungen durchgemessen. Am 
günstigsten ist es jeweils vier der acht Spulen in Reihe zu schalten. 
Solch ein Kreis produziert dann Wechselspannung :

          Leerlauf   Kurzschluss
20km/h:   2,5V       160mA
30km/h:   4,0V       230mA

Ich weiß nicht wieso die plötzlich Spannung so gering ist, dafür ist der 
Strom ganz mächtig. Das Problem ist, dass ich so geringe Spannungen 
nicht gleichrichten will, da bleibt so wenig übrig...
Andererseits könnte man nach dem Gleichrichten die Kreise wieder in 
Reihe schalten: 2 * (2,5V -1V) = 3V
Das wäre aber immer noch etwas knapp für zwei Akkus, oder?

Gibt es eine Möglichkeit zwei (phasenverschobene) Wechselspannungen in 
Reihe zu schalten ohne gleich zwei Gleichrichter oder 8 Dioden verbauen 
zu müssen?

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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Das was du da vorhast ist recht "tricki", eine einfach Variante könnte 
man mit einem Mosfet , OpAmp und einer Referenzspannungsquelle bauen.

Das Problem liegt in der Referenzspannung, die Z-Dioden von Reichelt 
gehen nur bis minimal 2.7V aber bei eBay hab ich 1V Z-Dioden gesehen.

Richte die Spannung mal gleich (Einweggleichrichter) , ich wette du hast 
nur den Effektivwert gemessen.


Jede Schaltung müsste dann trotzdem noch auf 4.1V (wenn du einen 
LiIon/LiPo-Akku verwendest) abgeglichen werden.

Der LiPo-Akku bei Pollin hält einen Ladestrom von 1.2A aus, wenn du mit 
weniger Strom lädst ist es nur noch schonender.

Das einzige Problem was ich noch hät wär ein OpAmp der mit einer so 
geringen Spannung (1 bis 2V) zufrieden ist.
Meine brauchen mindestens 3V !

Das Gate vom Mosfet braucht ~1.8V und beim OpAmp hat man einen 
Spannungsabfall von 1.5V , man könnte aber noch einen Transistor 
dahinter schalten. Dann also 1.8 + 0.6V = 2.4V Minimum um den Mosfet 
durchzuschalten.

> 60ct für die Elektronik
Also das wär machbar (bei über 3V minimale Spannung), wenn man sich die 
Platinen selbst fertigt und der Akku nicht in den 60 Cent drin ist.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Atmega8 Atmega8 wrote:
> Das Problem liegt in der Referenzspannung, die Z-Dioden von Reichelt
> gehen nur bis minimal 2.7V aber bei eBay hab ich 1V Z-Dioden gesehen.
Leider sind das keine Z-Dioden, sondern normale Dioden mit der 
Flußspannung 1V.

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ Alexander
Gibt es echt überhaupt kein Z-Dioden mit ca. 1V ?
Was könnte man stattdessen nehmen?

Das niedrigste was ich jetzt im Datenblatt gefunden habe sind 2.4V !

Ich könnte einen Athlon Prozessor benutzen, unter 1.025V @ 2GHz stürzt 
Windows ab wenn ich Prime laufen lasse ... das zieht aber wiederum 27 
Watt.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Atmega8 Atmega8 wrote:
> Gibt es echt überhaupt kein Z-Dioden mit ca. 1V ?
Nein, leider nicht. Auch werden Z-Dioden erst ab ~6V richtig steil, 
vorher haben sie eher eine Kennlinie wie eine umgedrehte Diode.

> Was könnte man stattdessen nehmen?

Ich würde komplett auf eine Ladebegrenzung verzichten, weil das für 
Kinder kaum verständlich ist. Bei diesen kleinen Strömen <0,1C macht das 
dem Akku eh nicht viel aus.
Man kann als billig Lösung 5 normale Dioden in Reihe schalten.


Sven-123 wrote:
> So, ich habe das Gerät nun mal unter Realbedingungen durchgemessen. Am
> günstigsten ist es jeweils vier der acht Spulen in Reihe zu schalten.

Kannst du mal den Aufbau posten, damit man sich vorstellen kann wie das 
aussieht.
Eventuell kann man die beiden Phasen wie einen Drehstrom gleichrichten.

> Ich weiß nicht wieso die plötzlich Spannung so gering ist, dafür ist der
> Strom ganz mächtig.

Drehzahl * Windungszahl ~ Spannung
Drehmoment ~ Strom

> Das Problem ist, dass ich so geringe Spannungen
> nicht gleichrichten will, da bleibt so wenig übrig...
Es gäbe noch die Möglichkeit der mechanischen Kommutierung, einfacher 
ist aber sicherlich die Spannung zu erhöhen.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Bei meiner Windmühle habe ich einfach eine Ladestrombegrenzung in Form 
einer 250mA Glühlampe eingebaut. Bei extremen Drehzahlen schützt sie die 
Akkus vor zu hohen Ladeströmen. Ansonsten ist durch den nicht stetig 
wehenden Wind und somit das päckchenweise Laden der Akkus ein Überladen 
eher unwahrscheinlich. Wenn´s viel Wind gibt, hole ich die Akkus nach 2 
Tagen aus der Halterung, bei leichter Briese bleiben sie halt länger 
drin.

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ Travel Rec.
Es geht ja immer darum sich nicht unbedingt um etwas kümmern zu müssen, 
da ich mal ein Kind war (okay das Kind seiner Eltern bleibt man wohl für 
immer :) ) muss ich sagen dass Kinder keine Sache konsequent machen und 
noch keine Dinge regelmäßig machen (wie z.B. Spannung überprüfen) und 
deshalb ist dabei ein Spannungswächter immer angebracht.
Kostet nur eine Platine mit einem 5 cent OpAmp drauf.

Man muss nur darauf achten dass die Versorgungsspannung leicht höher als 
3.8V ist und dass der Mosfet bei dem Verlust der notwendigen Spannung ( 
alles kleiner 3.0V ) wieder zu gemacht wird.

2.7V Z-Dioden habe ich ja, wenn ich jetzt einen Vorwiderstand berechne 
habe ich bei 3V nur
0.3V @ 5mA mit einem Widerstand zu begrenzen (60 Ohm)
oder bei 4V
1V @ 5mA (200 Ohm)

Wenn ich jetzt sicherheitshalber 60R wähle fließen bei 4V schon 17mA :(

Bei einer höheren Ausgangsspannung könnte man das etwas mehr eingrenzen.

@ Sven-123
Kannst du da nicht noch etwas mehr an Spannung rausholen?
Probier mal das hintereinanderschalten (Drehstrom gleichrichten)
Bei ( 2.5V * 2 ) - 1 = 4V würde es funktionieren.
... dann würde er den Akku aber auch erst ab etwa 20km/h Laden.

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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Also ein LM285D-1.2 wär für diese Zwecke geeignet, nur kostet der nicht 
1 oder 2 Cent sondern schon 20 cent und ich weiß nicht wo ich ihn 
günstiger bestellen kann.


Kann jemand eine günstige Bezugsquelle für 1.2V Referenzspannungsquellen 
nennen ?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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LM317 mit Steuerpin an Masse. Mindestlast 5mA.

Autor: Sven-123 (Gast)
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Das ist jetzt schon etwas länger her. Aber ich beschäftige mich gerade 
mit einem Solar-Projekt und stehe vor der gleichen Frage.

Interessant fand ich bei einem Akku-Hersteller zu lesen, dass dessen 
Akkus es ein Jahr lang aushalten, ständig mit 10% der Kapazität (C/10) 
geladen zu werden. Bei einem 2500 mAh Akku wären das 250 mA.
http://www.gpbatteries.com.hk/html/pdf/NiMH_technical.pdf

Der Leistungsfähigkeit des Akkus ist das zwar nicht zuträglich, aber für 
mich geht's ja nur um die Frage obs schlimm ist, den Akku ein paar 
Stunden länger zu laden. Bei meinem neuen Projekt geht's außerdem nur um 
100 mA, also weniger als C/20. Kein Grund also einen großen Akt um 
Laderegler zu machen.

Grüße, Sven

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