Universelle Stromversorgung macht alle Powerbanks durchladefähig

Hallo miteinander,

nachdem ich in den letzten Monaten einen Tonuino für meine Tochter gebaut habe und so viel Input von euch aus dem Forum genommen habe, wollte ich meine Lösung hier auch mit euch teilen.

Ich habe eine universale Stromversorgungsschaltung entwickelt, die mehrere der bekannten „Probleme“ wie Durchladefähigkeit, Einschalten per Pausetaster, Sleep usw. für alle Powerbanks ermöglicht.

Was kann die Schaltung?

  • Sie macht alle Powerbanks (PB) durchladefähig. Es kommt bei an- und abstecken an ein Ladegerät nicht zu Unterbrechungen und man kann einfach Weiterhören.
  • Man kann den Tonuino mit dem Pausetaster anschalten. Bei manchen PBs kam es mit den im Forum vorgestellten Schaltungen immer zu Problemen, sodass lange oder 2mal gedrückt werden musste. Die Schaltung hat das Problem nicht.
  • Die Schaltung kann die Box durch den SleepTimer ausschalten (Pololu verbaut)
  • Die PB muss nicht geöffnet oder von außen bedient werden und wird beschaltet, als würde man manuell Kabel ein und ausstecken. Alle Stromkreise sind galvanisch getrennt und Sicherheitsdioden stellen zusätzlich sicher, dass es nicht zur Verpolung oder Rückwärtsspeisung der PB kommen kann.
  • Ein Verbraucher kann (unabhängig vom Arduino) zyklisch zugeschaltet werden, um Abschaltung der PB zu verhindern.
  • Die Strom zum Tonuino wird beim Einschalten langsam hochgefahren, um die PB zu schonen, wenn Caps geladen werden.
  • Es ist kein „harter“ Schalter mehr erforderlich (wollte ich für meine Tochter nicht, sie soll nur immer auf Play drücken müssen, um loszuhören)
  • Um trotzdem manuell ab und anschalten zu können, kann man noch einen kleinen Button an den Pololu hängen

Wie funktioniert die Schaltung?
Ich bin, was Li-Akkus angeht, paranoid. Mir ist mal einer abgefackelt. Ich wollte unbedingt eine Durchladefunktion aber nicht selber mit nackten Akkus und billigen Ladeelektroniken rumfummeln und stattdessen die PBs nutzen, die ich schon habe. Ich wollte auch die PB nicht aufknacken. Alle Stromkreise sollten aus Sicherheitsgründen galvanisch getrennt und mit Dioden gesichert sein. (Die PBs haben teilweise eigenartige Tricks und polen sich intern um, um zu erkennen, ob man sie kurzschließt-> sind also sehr empfindlich, was gleichzeitigen Lade und Entladeanschluss angeht).

  • Die Schaltung trennt Lade- und Versorgungsspannung an beiden Polen mit 2 Relais komplett ab
  • Die PB wird so „bedient“ als würde man wirklich Kabel An- und Abstecken mit entsprechenden Wartezeiten. Sie ist somit wirklich zu allen PB kompatibel
  • Zwischen Laden und Entladen gibt es bei den meisten PB ein Delay. Das wird mit einem großen Kondensator als Pufferspeicher und Backupstromversorgung gelöst (versorgt Tonuino für 3-5 sec).
  • Die PB wird erst geladen, nachdem der Speicherkondensator voll ist.
  • Die Ladezustände und Timings werden mit einem ATtiny85 (Arduino kompatibler mikrocontroller) überwacht und gesteuert
  • Es gibt einen über den Controller zuschaltbaren Widerstand, der die PB unabhängig vom Tonuino aufwecken kann, und der zyklisch zugeschaltet werden kann, um die Abschaltung zu verhindern.
  • Alle Kreise (Versorgung Tonuino, Backupstromversorgung, USB-Ladegerät, Ladeschaltung ) sind durch Optokoppler galvanisch getrennt und mit Dioden nochmals gegen Verpolung und Rückströme gesichert
  • Zum Ein- und Ausschalten des Tonuino kommt ein Polulu-Switch zum Einsatz
  • Mit einer zweifachen Verstärkerschaltung (n-channel MOSFET und PNP Transistor) wird das Signal der Pausetaste so lange gehalten, bis die Powerbank angeschaltet hat (kein doppeltes drücken mehr nötig)
  • Mit einer Timerschaltung und einem p-channel MOSFET wird ein weiches Anfahren des Stromes für den Tonuino erreicht, sodass nicht zu hohe Anschaltströme fließen.

Muss man für die Verwendung die restliche Tonuinoschaltung ändern?

  • Die Versorgungsschaltung wird eigentlich nur zwischen PB und Tonuino gehängt. Durch die geänderte Anschaltlogik braucht der Tonuino aber noch eine zusätzliche Transistorschaltung (siehe auch Schaltplan).
  • Für die Überbrückung der Relaisschaltzeiten braucht der Tonuino zwei 1mF Kondensatoren (einen nah am Arduino und einer nah am DFPlayer). Die sind eigentlich immer zu empfehlen, um Leistungsspitzen abzufangen und bei hohen Lautstärken Kratzen im Lautsprecher zu verhindern.

Was braucht man für die Schaltung?
Im Schaltplan und im Fritzing-File sind alle Teile mit Bezeichnung eingetragen und lassen sich zum größten Teil so bei Reichelt finden. Die Widerstände sind alles billige 1/4W bis auf die beiden 10Ohm Widerstände, die etwas mehr vertragen sollten (1W). Alle Caps bis auf den Speichercap sind Standardteile.
Folgende nicht Standardteile sind verbaut:

Schaltung als pdf (2,7 MB)
Fritzing File
ATTiny Programm (internal Oscillator 8MHz, BOD enabled 4.3V)
Für die Programmierung des ATtiny braucht man einen Arduino und eine kleine Schaltung. Der Rest geht über die Arduino Software

Hier nochmal der Schaltplan als Foto und ein paar Fotos:





Restliche Tonuinoschaltung:
Ich habe in meinem Tonuino den AmpHack für den DFPlayer angewendet, um den Verstärker An- und Abschalten zu können. Das ganze wird vom Arduino gesteuert. Man kann dann also softwareseitig einstellen, ob beim Einstecken eines Kopfhörers der Lautsprecher ausgeht oder nicht und man kann den Verstärker ausschalten, wenn normalerweise Störgeräusche vorhanden sind (beim Einschalten z.B.)
Außerdem betreibe ich den RFID Reader innerhalb seiner Specs mit 3.3V Signalen (dafür der extra Wandler)

Vielleicht nutzt die Schaltung dem/der ein oder anderen ja etwas bzw. Teile daraus.
Beste Grüße

Details über Powerbanks:
Ich habe viel über PBs gelernt. Um sie (wieder) einschalten zu können, darf vorher kein zu hoher Strom fließen (nur µA). Deshalb kommen kamen keine Schaltungen mit MOSFETS oder PowerMuxern zum Einsatz.
Die meisten PBs schalten sich nicht direkt wieder ein, wenn sie vom Ladestecker abgezogen werden. Wenn man schon einen Verbraucher eingesteckt hat, gehen sie gar nicht mehr an, ohne neu einzustecken, oder den Taster zu betätigen (Taster von außen aber meist nicht zugänglich und aufbrechen wollte ich ja nicht) Die Schaltung trennt, wenn der USB Lader rausgezogen wird erst die Ladeseite als auch die Verbraucherseite vollständig ab, gibt nach einem Delay was die meisten PB brauchen ein Einschaltstromimpuls und schaltet erst dann den Tonuino wieder als Verbraucher zu.

6 Like