Solcellsladdare för mobiltelefoner med USB-anslutning

[nelos]

Här är ett solcellsprojekt i den mindre skalan: jag har byggt en solcellsladdare för mobiltelefoner med USB-port.

Laddaren baseras på en 20W solpanel och en switchregulator med 96% verkningsgrad.

Här är bilder på laddaren:





Elektroniken och USB-uttaget sitter monterade på en alumniumskena som är fastskruvad i solpanelens ram.

Här är en översiktsbild:



Den solpanel som används är denna:
http://www.ev-power.eu/Solar-Panels/Solar-Pannels-GWL-Sunny-Mono-20-Wp.html

Aluminiumskenan är köpt på ett byggvaruhus, och sedan tillsågad i lämplig längd.


När det gäller elektronikdelen behöver USB-porten 5V spänning, samt möjlighet att ge tillräckligt mycket ström, som för USB-laddning vanligen är 1A.


För att åstadkomma 5V spänning provade jag först att använda den klassiska linjära 7805-regulatorn
för att reglera ned solpanelens betydligt högre spänning på upp till ca 23V ned till 5V.

Det fungerade, men den regulatorn hade en relativt låg verkningsgrad, och blev därför så varm att en kylfläns var nödvändig.
Jag har inte mätt verkningsgraden på 7805-regulatorn i mitt fall, men jag skulle inte bli förvånad om den ligger under 50%.

När man har god solinstrålning så spelar det mindre roll, eftersom 20W-panelen ändå kan driva USB-laddningen med 1A ström.

Laddeffekten med 5V och 1A blir 5*1 = 5W, och det är en vanlig laddeffekt för mobiltelefoner.
(Surfplattor kan använda en högre laddeffekt.)

50% av 20W är ändå 10W, så det finns marginal vid full solinstrålning.

Men man vill ju kunna ladda med hög effekt även vid molnigt väder.

Nästa försök var därför att använda LDO-regulatorn LM2940.
LDO = Low Dropout Regulator.

Denna regulator fungerar på samma sätt som 7805, men den har ett mindre spänningsfall, och därför en högre verkningsgrad.

Det fungerade bättre med LM2940, förlusterna var något mindre så den blev inte lika varm.
Dock var den lite mer krävande vad gäller kringkomponenter, och man måste ansluta två kondensatorer till den för att den skulle fungera.
Regulatorn 7805 är inte lika känslig för kringkomponenter, och klarar sig utan kondensatorer.

LM2940 var alltså ett steg framåt, men fortfarande en god bit ifrån en verkningsgrad på 100%.

Men det verkliga genombrottet kom när jag började titta på switchade regulatorer istället för linjära regulatorer.

Den switchade regulator jag slutligen valde för DC/DC-omvandlingen var "TSR 1-2450", med 96% verkningsgrad!

Regulatorn har så hög verkningsgrad att det inte behövs någon kylning alls.

Här är information om TSR-2450:

https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/assets/datasheets/aiTSR1_data_en.pdf

Den finns att köpa här:
https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/init.do?item=69-534-84&toc=0&q=69-534-84
(Elfa-nummer: 69-534-84)

http://www.conrad.se/DC%2FDC-CONVERTER-1-W,-TSR-1-2450.htm?websale7=conrad-swe&pi=156673

TSR-2450 kan ge upp till 1A vid 5V, vilket är precis vad som behövs för laddning av mobiltelefoner med USB.

Med switchregulatorn kan USB-laddaren ge den spänning och ström som behövs, men USB-laddare har fler krav när det gäller inkopplingen.

Enligt USB-standarden får en enhet inte dra mer än 100mA från ett USB-uttag utan att uttaget på något sätt har gjort ett medgivande att det är OK att dra mer ström.
En ström på 0,1A är för lite för en USB-laddare, det skulle helt enkelt ta för lång tid att ladda telefonen med en så låg ström.

En "riktig" USB-enhet förhandlar med sin USB-host om vilket ström den skall dra genom att skicka data via D- och D+ ledarna i USB-kontakten.
Den kan då förhandla fram att den får dra t ex 1A.

Men för USB-laddare skulle det bli för dyrt att förse alla laddare med en microkontroller som kan kommunicera via USB.
Den lösning som laddar- och telefontillverkarna istället använder är att man lägger på olika spänningar på D+ och D- beroende på vilken ström som telefonen maximalt får dra.

Det har växt fram en de-facto-standard för de spänningar som används, men vissa tillverkare har valt att gå sin egen väg, som Apple t ex.

För att lägga på en spänning på D- och D+ använder man resistorer kopplade som spänningsdelare.

Här finns mer information om de spänningar och motståndsvärden som man kan använda:

http://forum.xda-developers.com/showpost.php?p=15367853&postcount=1
http://forum.xda-developers.com/showthread.php?t=1675042
http://timothyb.net/DIY_iPad_2_USB_Charger.html
http://www.ladyada.net/make/mintyboost/icharge.html
http://vimeo.com/13835359#

Eftersom jag använder Android-telefoner valde jag att använda resistorer på 10 kohm och 33 kohm,
så att både D- och D+ ligger på samma spänning, med 10 kohm mot jord och 33kohm mot 5V.

Det fungerar utmärkt för min HTC, och jag har även provat med andra tillverkare.

Men för den som använder iPhone kan länkarna ovan vara till hjälp för att välja motståndsvärden.

Elektronik-komponenterna sitter monterade på ett vanligt experimentkort:
http://www.kjell.com/sortiment/el/elektronik/monsterkort/experimentkort/experimentkort-p89416

Här är BOM:en för konstruktionen:

* TSR-2450
* resistor 10kohm
* resistor 33kohm
* USB-kontakt hona
* experimentkort
* Solpanel 20W, 36 celler


Här är det slutliga kopplingsschemat för laddaren:



Här är en närbild på kretskortet:

[DrivMedEl]

Hej!
Intressant med experiment, har själv elektronik som min stora hobby, byggde min första radio 1961.
Alla serieregulatorer  inklusive lowdrop fungerar ju som en serieresistans (skapar resistivt späningsfall  och förluster)och all energi du matar in i utrustningen ( i detta fall din USB ladd-utrustning ) minus de du tar ut i USB porten "eldar" du upp i regulatorn.
Laddar du 5V 1 A  = 5W och solcellen ger 20W "eldar" du upp resten 15W i regulatorn.
De interna elektroniken i olika typer av regulatorn (förutom utgångstrissan) kan ju variera med den är marginell i förhållande till utgångstrissan.
Lowdrop har fördelen att matningsspänningen kan ligga lägre än för en vanlig regulator typ 7805 men ändå ge ut 5V, matnings spänningen måste ändå var högre än utgångsspänningen, fördel vid lägre solinstrålning.

För att få upp verkningsgarden måste de ske vi någon form av switchelektronik som redan testat.
Finns många typer stepdown kretsar där man använder en induktans (skapar induktivt spänningsfall med dess resistans som ger låga förluster)som energilagring mellan switchningarna, där får man betydligt bättre verkningsgrad än med serieregulatorn. Det är denna princip man använder i transformatorlösa solcells-inverters och där av blir de inte galvaniskt avskilda från elnätet.

Kommentera gärna om jag har fel.

[Micke]

Kul projekt. Det var intressant det där att enheterna måste komma överens om laddströmmen.

Nästa steg är väl att inkludera ett buffert-batteri så att du kan ladda på natten.

[nelos]

Det måste stämma, de linjära regulatorerna fungerar helt enkelt som en variabel serieresistans,
där resistansen regleras till det värde som behövs för att spänningen över lasten skall bli rätt spänning, i det här fallet 5V.

Om det hade varit nät- eller batteridrift hade värmeutvecklingen gjort att man förlorat energi, så en switchad lösning hade definitivt varit att föredra.

Men frågan är hur stor vinsten blir när man använder solceller,
det kanske inte är så stor skillnad mellan LDO-regulatorn och den switchade regulatorn som jag först antog?

Det spelar ju mindre roll om man låter solenergin bli värme, eller om man men den switchade lösningen inte utnyttjar hela den tillgängliga effekten från solpanelen.

Men att att det inte genereras värme är ändå bra, det borde kunna påverka livslängden positivt.

==========

Det finns färdiga solcellsladdare att köpa, här är några länkar:

http://www.clasohlson.com/se/Solcellsladdare/Pr383942000

http://www.techhunter.se/teknik-data/batteri-laddare/solladdare-11-200mah.html
http://www.techhunter.se/teknik-data/batteri-laddare/solpanel-20-000mah.html
http://www.interfoto.se/Solcellsladdare.asp
http://www.adisgladis.se/OFF-GRID-OUTDOOR/solcellsladdare
http://www.safetystore.se/store/?pid=557

Men jag har inte hittat någon som är tillräckligt bra. Jag köpte en som liknar den Clas Ohlson har,
fast det var nog modellen minde, den kostade bara hälften vill jag minnas.

Det var ett av de sämre köpen jag gjort, den fungerade helt enkelt väldigt dåligt.

Det verkar som tillverkarna strävar efter att laddarna skall vara små, och helst rymmas i fickan.
Då kan man bara ha en solcell med en maxeffekt på någon eller några watt, och därför tvingas de
använda ett batteri för att det överhuvudtaget ska fungera att ladda med den.

Batteri i sig är en bra idé, så att man kan ladda på natten,
men det verkar som många solcellsladdare har batteri för att solcellen är aldeles för liten, och inte går att använda direkt.

Då är det bättre att använda en större solpanel på 20W eller mer så att man kan ladda telefonen direkt.

Den solpanel jag byggt/använt passar bra till t ex jakt och fiske, man kan bära med den någon kilometer eller två till fiskestället där man stannar över dagen.

Ska man ut på längre vandringar t ex i fjällen så finns det vikbara solpaneler som går ned i ryggsäcken, t ex denna:

http://www.soleldalby.se/shop/solenergi/solpaneler-12v/10w-12v-flexibel-solcellspanel.html

[nelos]

Jag provade idag att ladda en surfplatta med solcellsladdaren, och det fungerade bra.

En HTC Flyer laddades under ca 3 till 4 timmar från helt urladdad till full laddning, se bild.



Surfplattan har ett batteri som rymmer 14,8 Wh energi, (4Ah, 3,7V), så med en laddning på 5V och 1A
blir den teoretiska laddtiden 14,8/5 = ca 3 timmar.

Det stämmer ganska väl med den tid det tog, jag mätte inte exakt, men under 4 timmar var det iallafall.

[Jackiie]

Hej!
Vad blir den totala vikten på denna laddare? Får man gissa på över kilot, eller är det något som är intressant för friluftsmänniskor? : )

[Mikael]

Intressant,  har gjort något liknande experiment med en 8,5 W panel och med 12V batteripack.  Panelen verkar fungera bra, satte i hop batteripacket av LiOn celler med totalt 7,2 Ah.  Verkar vara lite problem med att få laddregulatorerna att fungera i hop med LiOn allmänt.  Utvärdering pågår.  Hittade billiga komponenter på nätet men att ladda bra kan behöva göras om,  tror den laddar blyceller bättre.

http://midnightsunman.blogspot.se/2012/02/mobile-energy-project.html

[nelos]

Solpanelen på 20W toppeffekt väger 2,3 kg, och metallskenan/elektronik något hekto till.

Men det fungerar antagligen bra även med t ex en standard 10W solpanel så då är man nere runt kilot i vikt.
Tar man bort aluminiumramen så minskar vikten ytterligare.

Och vill man komma ännu lägre i vikt finns det en 10W böjbar solpanel som bara väger 400g:

http://www.soleldalby.se/shop/solenergi/solpaneler-12v/10w-12v-flexibel-solcellspanel.html

[Mikael]

Bra tråd det här.  Började kolla efter en regulator för att få ut 12V efter ha läst här.  Den jag har klipper under 11,1 V och så får man ladda upp igen, Vet inte om det är direkt nödvändigt om man kopplar solcellen direkt mot batteripacket.  De celler jag skaffade hade inbyggd överladdningskrets så det kanske går att förenkla genom att tabort nuvarande regulator helt då det borde fungera utan att de exploderar.  Tyckte en vanlig ciggkontakt var smidigt för att kunna koppla in vad som helst i slutändan.

Pris för solcell 500kr, batteripack 250 kr, låda 59 kr, ciggkontakt 29kr, lite kabel och krympslang.
I så fall runt 800 kr och vikt under 0,5 kg för allt.  Vore smidigt med en enkel diod som visar när
det är laddad/oladdad ungefär, kanske röd, gul, grön så vet man.  Skaffade en extra kajaklucka också för att kunna ha den på däck med lådan under, men har inte provat så mycket då cellen inte är helt tät förstås kanske skaffar en sådan böjbar.

http://midnightsunman.blogspot.se/2012/06/mobile-energy-project.html

Har en sådan här regulator liggande, men den har max verkningsgrad 70% jämfört.
http://midnightsunman.blogspot.se/2012/02/cycle-hub-dynamo-6v-to-12v-conversion.html

[nelos]

Det är en hel del att tänka på då man ska ladda litiumbatterier, och det går inte att använda en laddregulator avsedd för blybatterier om man inte ser till att cellerna är balanserade.

Men om du köpt cellerna som en enhet så var de troligen balanserade från fabrik,
och det gör då att det fungerar att ladda dem som en enhet.

Spänningen på litiumceller måste hållas inom sitt arbetsområde från en min-spänning till en max-spänning.
Går man utanför arbetsområdet förstörs litiumcellerna, så det måste regleras noga.

I ditt fall kopplas lasten bort vid 11,1V, och det kan då skydda mot djupuraladdning, men det förutsätter att cellerna är bottenbalanserade.

Om jag förstått rätt så använder du 6 st seriekopplade 18650-celler på 3.7V vardera?
Det ger drygt 20V, och då vill du i så fall konvertera det till 12V.

Fast då borde 11,1V vara en för låg spänning då lasten kopplas bort?

Ska du ha 12V spänning så finns det en DC/DC-omvandlare från Traco Power med 91% verkningsgrad, TSR 1-24120:

https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/init.do?item=69-534-87
http://www.conrad.se/DC%2FDC-CONVERTER-1-A,-TSR-1-24120.htm?websale7=conrad-swe&pi=156677

Den klarar 1A, så det ger 12W uteffekt.

Ett tips är att du själv bottenbalanserar cellerna så att du har full kontroll över laddningstillståndet för varje cell.

Du kan till exempel använda denna för bottenbalanseringen:
http://www.autopartner.se/icharger-3010b-1000w-30a-10s-p-12452-c-213.aspx

Det finns billigare laddare, men den är riktigt bra.


Jag hittade denna film som visserligen inte innehåller så mycket matnyttigt om laddning av batterier, men den mekaniska konstruktionen är intressant:
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=7CUuqJDzo1U&NR=1

[Mikael]

Tackar,  cellerna är parallellkopplade (3.7x3)x2.  Spänningen ligger då på 12.1 laddade ungefär, vilket inte är helt optimalt med regulatorn tror jag.  Tänkte i stället köra panelen direkt mot batteripacket och
koppla in en motsvarande omvandlare från 12V - till 5V i stället för att gå via regulator plus USB konverterare.  Har inte koll på verkningsgrad på dessa men det verkade mycket bra med 96 procent
och så tar jag risken med att det blir fel med batteripacket då det var ganska billigt, tyckte 2000 kr var
för dyrt för att balansera cellerna separat.

Har att ladda en surfplatta med 6Ah batteri plus telefon drygt 1-2 Ah, var annan eller var tredje dag gissar
jag vore det bästa och då borde det ovan klara det ganska bra.  Laddar 500mA som bäst tror jag.

[nelos]

OK, då förstår jag konstruktionen bättre.

Det är alltså logiskt sett 3 st seriekopplade celler på vardera nominellt 3,7V.
(och sedan är det en parallellkoppling av 2 st sådana 3-cells serier).

Skall du ladda surfplatta och mobilteltefon med dessa battericeller vid 5V så är TSR 1-2450 definitivt ett bra alternativ, med 96% verkningsgrad.

Men att ladda litiumceller direkt mot solpanelen låter vanskligt.
Spänningen över litiumceller måste ligga inom ett givet intervall, låter man spänningen stiga för högt förstörs cellerna. Och fortsätter man att ladda kan LiIon-celler börja brinna.

Blyceller kan man överladda till en viss grad utan att något händer, det är därför man man koppla en liten solpanel direkt till ett blybatteri för att t ex underhållsladda blybatteriet.

Men motsvarande gäller inte för litiumceller, de tål inte överladdning så någon form av reglering behövs.

En möjlighet är att använda en Cellog8 för regleringen av laddningen:
http://www.ev-power.eu/Measure-Test-Tools-1-1/Cell-Logger-8-cells-1-battery-USB-port.html

Det går att ställa in CellLog8 så att utgången/alarmporten slår om då en enskild cell når sin maximala spänning.
Använder då en sådan skulle du kunna koppla solpanelen till battericellerna via ett halvledarrelä som slår av laddningen när den första cellen når maxspänningen.

Med Cellog8 skulle du alltså kunna monitorera varje enskild cellspänning, och inte bara totalspänningen.

Balansering av battericeller och BMS (Battery Management System) är ett stort område,
här är filmer med information om topp- och bottenbalansering:
http://liionbms.com/php/tutorials.php#

Bottenbalansering:
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=nuCDUj2L7Wc


Det finns betydligt billigare alternativ för att balansera celler än min länk ovan, här är ett alternativ:
http://www.autopartner.se/gt-power-laddare-c6-12v-6a-16s-p-17221-c-113.aspx

I det enklaste fallet kan man bottenbalansera celler med en urladdningsresistor och en voltmeter, men andra hjälpmedel är att föredra.

[Mikael]

Tackar,  som jag kanske skrev har cellerna överladdningsskydd inbyggt så den risken att de brinner upp tar jag med att de var så billiga.  Det som återstår att få till är nog bara en enkel krets för att visa laddstatus grön, gul och röd diod skulle räcka då skulle det här paketet flyga.

[nelos]

Här är en 20W böjbar solpanel som man kan använda för att ladda via USB:

http://www.soleldalby.se/shop/solenergi/solpaneler-12v/20w-12v-flexibel-solcellspanel.html

(Tidigare fanns bara en 10W: http://www.soleldalby.se/shop/solenergi/solpaneler-12v/10w-12v-flexibel-solcellspanel.html)

[Mikael]

Uppdaterade batteripacket till 4 x 3,7V = 14,8V totalt 4,8Ah.  Två 4 st cells parallellkopplade,
att ladda LiOn med en PWM solcellsregulator verkar kunna gå men kanske inte är helt optimalt.   Den
USB cigarettplug  jag använder är ratad till 2A vet inte vilken verkningsgrad en sådan kan ha.  Men funderar
på om själva urladdningen blir helt optimal till batteripacket, kanske är det bättre att begränsa urladdningen.
Paket med panel och solcell kan vara rätt dimensionerad, regulatorn ska slå av laddning vid 14,8V samt  urladdning vid 11,6 V.  Svårt att veta hur många Ah som är tillgängliga effektivt men den verkar kunna ladda ur något för snabbt nu.

[Mikael]

Börjar tro att batteripacket inte är helt bra och tänkte börja om.  Börjar komma standard batteripack med 5V USB ingång och som ska laddas med 5V USB.   Skulle va fint med en regulator med USB interface direkt att koppla in innan detta paket och som vore hyffsat inkapslat direkt.  Eller så lägger jag både regulator och batteripack i en låda som vanligt.

Runt 500-600 kr för ett paket med indikator verkar överkomligt:
http://www.iphonebutiken.se/gp-portable-powerbank-10400-3150.html?utm_campaign=textlinks&utm_medium=textlink&utm_source=adrecord

[Mikael]

Hittade denna inkapslade som jag lägger in mellan panelen och batteripacket:

http://www.ebay.com/itm/DC-Converter-StepDown-Module-12V-to-5V-micro-usb-output-power-adapter-for-phone-/261203074650


31 kr inkl frakt var överkomligt.  Batteripacket går nog att hitta billigare än 600 kr om jag googlar lite mer.

[Mikael]

Det verkar fungera rätt bra med den nya uppsättningen.  Postade någon bild här:
http://midnightsunman.blogspot.se/2013/08/mobile-solarcell-package.html.

Ett vattentätt batteripack som GL301 med inbyggd 12V-5V regulator och en lätt 12V 20W
panel med ungefär samma fotavtryck som den fasta jag hittade vore väl det perfekta.  Borde
kunna hamna på 500-600 gram i vikt på ett sådant paket.

[Jonas]

Hej!
Jag är okunnig men intresserad av elektronik, är detta ett bra projekt att börja med?

MVH Jonas

[nelos]

Det är få komponenter, så det gör det till ett bra projekt att komma igång med.

För att löda ihop komponenterna rekommenderar jag experimentkort med länkar:
http://www.kjell.com/sortiment/el/elektronik/monsterkort/experimentkort/experimentkort-lankar-p89417

Dessa kort har kopparbanor som binder ihop hålen tre och tre.

Välj alltså variant "Länkar", och inte "Banor" eller "Öar".

Och se till att använda blyfritt lödtenn.
Bly är mycket giftigt, helt otroligt att det fortfarande går att köpa lödtenn som innehåller bly.

Här är några blyfria alternativ:
https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/init.do?item=82-494-26
http://www.conrad.se/L%d6DTR%c5D-KS115-3,0-%25-0,7-MM-100-G-SN99CU1.htm?websale8=conrad-swe&pi=588727&ci=SHOP_AREA_17587_1508075&otp1=tablink1