Akkuhalter 18650 4S, 4 Zellen in Reihe, 14.8V nominal, mit Kabel

Der Akkuhalter für 18650 4S ist eine tragbare Stromversorgung: vier Li-Ion-Zellen in Reihe geschaltet, mit zwei Ausgangskabeln, Rot für Plus und Schwarz für Minus. Er wird in Projekten eingesetzt, die 12 V oder mehr benötigen, zum Beispiel Lüfter, LED-Streifen, kleine Pumpen oder Roboter.

In diesem Tutorial nehmen wir den Akkuhalter Schritt für Schritt in Betrieb, ohne Programm. Wir versorgen einen 12-V-Lüfter mit 80 mm über ein Abwärtsmodul LM2596, denn der Akkuhalter besitzt keinerlei Regel- oder Schutzelektronik.

So funktioniert es:

Die vier Fächer sind in Reihe geschaltet, daher addieren sich die Zellspannungen. Bei Zellen mit 3.7 V Nennspannung ergibt sich 4 x 3.7 V = 14.8 V. Bei vollständig geladenen Zellen mit 4.2 V liefert der Akku 4 x 4.2 V = 16.8 V. Bei auf 3.0 V entladenen Zellen sinkt der Akku auf 4 x 3.0 V = 12 V. Die Kapazität in mAh bleibt die einer einzelnen Zelle, denn bei der Reihenschaltung addiert sich die Spannung, nicht die Kapazität.

Aus diesem Grund wird der Akku nicht direkt an eine 12-V-Last angeschlossen. Ein voller Akku liefert 16.8 V, das ist mehr, als viele 12-V-Verbraucher vertragen. Zwischen Akku und Last wird daher ein Abwärtsregler eingesetzt. Das Modul LM2596 akzeptiert am Eingang etwa 4.5 - 40 V und gibt am Ausgang 1.25 - 37 V ab, bei einem Strom von bis zu 3 A. Oberhalb von etwa 2 A benötigt es einen Kühlkörper.

Die Ausgangsspannung bleibt immer mindestens 1.5 - 2 V unter der Eingangsspannung. Für einen Ausgang von 12 V muss der Akku daher über etwa 13.5 - 14 V bleiben. Unterhalb dieses Wertes beginnt die Ausgangsspannung zusammen mit der Akkuspannung zu sinken.

Berechnung des Verbrauchs für unser Beispiel: Ein 12-V-Lüfter, der 0.15 A aufnimmt, hat die Leistung 12 V x 0.15 A = 1.8 W. Bei einem ungefähren Wirkungsgrad des Reglers von 85 Prozent muss der Akku etwa 1.8 W / 0.85 = 2.1 W liefern. Mit Zellen von etwa 2500 mAh beträgt die Energie des Akkus 14.8 V x 2.5 Ah = 37 Wh. Daraus ergibt sich eine Laufzeit in der Größenordnung von 15 Stunden, denn der letzte Teil der Kapazität lässt sich nicht mehr nutzen: Unterhalb von 13.5 - 14 V am Akku hält der Regler keine 12 V am Ausgang mehr.

Anschluss:

Achten Sie bei jedem Schritt auf die Polarität. Das rote Kabel des Akkuhalters geht an IN+ des Moduls LM2596, das schwarze Kabel an IN-. Eine vertauschte Polarität am Eingang kann das Modul zerstören. Es gibt keine Logiksignale, nur Stromversorgung. Die Last wird erst angeschlossen, nachdem die Ausgangsspannung auf 12 V eingestellt wurde.

Tasten, Einstellungen und Anzeigen:

Der Akkuhalter hat keine Tasten, keinen Schalter, keine LED und kein Display. Das einzige Einstellelement der Baugruppe ist der Trimmer am Modul LM2596, und beim Einsetzen der Zellen zählen die im Fach eingegossenen Markierungen.

Einstellen des Trimmers, Schritt für Schritt. Beginnen Sie mit dem unbestromten Modul und abgeklemmter Last. Versorgen Sie das Modul vom Akku und schließen Sie das auf Gleichspannung eingestellte Multimeter an OUT+ (rote Messspitze) und OUT- (schwarze Messspitze) an.

Drehen Sie die Messingschraube des Trimmers langsam und beobachten Sie den abgelesenen Wert. Weicht die Spannung von 12 V ab, drehen Sie in die Gegenrichtung. Hören Sie auf, wenn das Multimeter 12.0 V anzeigt.

Der Trimmer hat mehrere Umdrehungen, daher sind die Änderungen gering und Sie müssen geduldig drehen. Die Einstellung ist gelungen, wenn der Wert auch nach einigen Sekunden stabil bei 12.0 V bleibt.

Konfiguration:

Es gibt keine elektronischen Einstellungen zu speichern. Der einzige Einstellpunkt ist der Trimmer, der seine Position auch nach dem Ausschalten der Baugruppe mechanisch beibehält. Wiederholen Sie die Einstellung nur, wenn Sie die Last oder die gewünschte Ausgangsspannung ändern. Die Schritte zur Inbetriebnahme lauten wie folgt.

Setzen Sie vier 18650-Zellen desselben Typs mit demselben Ladezustand ein und achten Sie dabei auf die +-Markierungen in den Fächern.

Messen Sie die Spannung an den Kabeln des Akkuhalters und prüfen Sie, ob sie im Bereich 12 V - 16.8 V liegt.

Löten Sie die Kabel an die Klemmen des Moduls LM2596 an oder stecken Sie sie ein, rot an IN+ und schwarz an IN-. Lassen Sie den Ausgang frei.

Stellen Sie den Trimmer ein, bis am Ausgang 12.0 V angezeigt werden, wie oben beschrieben. Erst danach schließen Sie die Last an.

Anwendungsbeispiel:

Wir versorgen einen 80-mm-Lüfter, 12 V, mit zwei Drähten (rot Plus, schwarz Minus), der etwa 0.15 A aufnimmt. Setzen Sie die vier Zellen in den Akkuhalter ein, wobei der Pluspol zur flachen Platte jedes Fachs zeigt, und messen Sie die Spannung an den Kabeln des Akkuhalters. Bei geladenen Zellen sollten Sie etwa 16 V oder mehr ablesen.

Verbinden Sie das rote Kabel mit IN+ und das schwarze Kabel mit IN- des Moduls LM2596, bei abgeklemmter Last. Die Betriebs-LED des Moduls leuchtet auf. Schließen Sie das Multimeter an OUT+ und OUT- an und drehen Sie den Trimmer, bis 12.0 V angezeigt werden.

Schließen Sie danach den Lüfter an, das rote Kabel an OUT+ und das schwarze Kabel an OUT-. Der Lüfter läuft an, und die am Ausgang gemessene Spannung sollte bei etwa 12 V bleiben. Mit Zellen von 2500 mAh arbeitet die Baugruppe etwa 15 Stunden lang, bis der Akku unter 13.5 - 14 V fällt.

Häufige Probleme:

Die LED des Moduls leuchtet nicht und am Ausgang liegt keine Spannung an. Die übliche Ursache ist eine verkehrt eingelegte Zelle oder eine Zelle ohne Kontakt, wodurch der Akku ohne Spannung bleibt. Messen Sie die Spannung an den Kabeln des Akkuhalters, prüfen Sie die +-Markierungen in jedem Fach und reinigen Sie die Kontakte.

Die Ausgangsspannung steigt nicht auf 12 V. Der Akku ist zu stark entladen, denn der Ausgang bleibt immer 1.5 - 2 V unter dem Eingang. Laden Sie die Zellen und wiederholen Sie die Messung.

Die Ausgangsspannung sinkt, wenn Sie den Lüfter anschließen. Ursache kann ein schlechter Kontakt an den Kabeln oder fast entladene Zellen sein. Prüfen Sie die Verbindungen und die Akkuspannung unter Last.

Das Modul LM2596 wird warm. Die Last zieht zu viel Strom. Oberhalb von etwa 2 A benötigt das Modul einen Kühlkörper, und der maximale Strom beträgt 3 A.

Das Modul ist nach dem Anschluss defekt. Die wahrscheinliche Ursache ist die vertauschte Polarität am Eingang. Prüfen Sie immer das rote Kabel an IN+ und das schwarze Kabel an IN-, bevor Sie die Zellen einsetzen.

Einschränkungen und Tipps:

Der Akkuhalter hat keinen Schutz gegen Kurzschluss, Überstrom, Tiefentladung oder Ungleichgewicht zwischen den Zellen. Lassen Sie die Enden der Kabel nicht aneinander berühren, solange die Zellen eingesetzt sind. Schalten Sie die Baugruppe aus, bevor eine Zelle unter 3.0 V fällt.

Der Akkuhalter lädt die Zellen nicht. Laden Sie sie separat in einem für 18650 geeigneten Ladegerät und verwenden Sie stets Zellen desselben Typs mit demselben Ladezustand.

Der maximale Strom hängt von den verwendeten Zellen und dem Querschnitt der Kabel ab. Wählen Sie für hohe Lasten deshalb Zellen mit passendem Entladestrom und setzen Sie eine Sicherung in Reihe mit dem roten Kabel ein.

Auf Basis dieser Baugruppe können Sie tragbare Akkus für LED-Streifen, Pumpen, Roboter und Steuermodule bauen, indem Sie nur die Ausgangsspannung des Reglers an die gewünschte Last anpassen.