Übersicht

Worum geht's?
Eine Schaltung, die an einen Modell-Akku angeschlossen wird und den Piloten rechtzeitig per Blinksignal zum Landen auffordert, bevor der Akku zu sehr entladen wird.

Besonderheiten?
Bauteilkosten unter 4 Euro, minimaler Aufwand, trotzdem zuverlässig, vielseitig verwendbar, für verschiedene Akkus nutzbar.

Für welche Akkus?
Alle Akkus (nicht nur LiPoly) zwischen 6V Minimalspannung und 15V Maximalspannung.

Voraussetzungen?
Minimal. Etwas Löterfahrung, einfache Schaltpläne verstehen.

Beschreibung

Wie jedem Modellbauer bekannt ist: Lithiumakkus reagieren empfindlich auf Überladungen und Tiefentladungen.
Beim Überladen besteht gar die Gefahr der Explosion des Akkus, die weitere verheerende Folgen mit sich ziehen kann (Personenverletzungen, Brände, ...).
Dieses Problem lässt sich jedoch einfach durch Verwendung eines geeigneten Automatik-Ladegerätes entschärfen.

(Bitte beachten: auch bei automatischen Ladegeräten ist eine persönliche Überwachung des Ladevorganges unbedingt erforderlich!)

Die Tiefentladung eines Lithiumakkus hat etwas weniger fatale Folgen.
Zwar besteht ebenfalls Brandgefahr, aber in der Regel wirkt sich die Tiefentladung (z.B. durch eine zu lange Flugzeit des Piloten) in Kapazitätsverlust aus.
Hier liegt auch schon das Problem: der außenstehende Pilot hat in der Regel keine Information über die aktuelle Akkuspannung und muss sich nach der Flugzeit und dem zu erwartenden Stromverbrauch orientieren.
Mittlerweile gibt es spezielle Regler für Lithiumakkus, die bei Unterspannung des Akkus den Strom drosseln, bzw. ganz abschalten.
Bei RC-Booten oder Cars mag das ja in Ordnung sein, bei Hubschraubern (die obendrein ein Vielfaches des Akkus kosten) kann das jedoch schnell einen hohen Schaden durch Absturz des Helis bedeuten.

Eine Alternative sind im Modellbaufachhandel erwerbbare Spannungsmesser und Blinkgeber, die bei Unterspannung den Piloten optisch oder akustisch warnen.
Diese sind zwar immerhin deutlich billiger als ein spezieller Lithium-Flugregler, zum Zeitpunkt dieses Artikels aber gemessen am Verhältnis Verkaufspreis/Herstellungskosten immer noch völlig überteuert.
Daher habe ich eine Schaltung entwickelt, die mit geringen Materialkosten von ein paar Euro den Piloten durch eine hell blinkende LED vor einer Tiefentladung eines 3-zelligen Lithiumakkus warnt (Variante für andere Akkus weiter unten beschrieben).
Die Akkuspannung ist zugleich die Betriebsspannung der Schaltung, die mit einem sehr geringen Stromverbrauch auskommt.

Schaltplan

Funktion

Herzstück der Schaltung ist ein Operationsverstärker LM324.
Dieser OPV hat einen Betriebspannungsbereich von 5..15V und kommt ohne duale Versorgungsspannung aus.
Der OPV vergleicht eine Referenzspannung von 5,6V mit der durch ein Poti geteilten Spannung des Akkus.
Die Referenzspannung wird durch eine Zenerdiode erzeugt.
R1 begrenzt den Strom durch die Diode.
Die Zenerspannung von 5,6V habe ich bewusst so gewählt, da diese Dioden bekanntlich mit Zenerspannungen zwischen 5V und 6V am temperaturstabilsten sind.

Die Ausgangsspannung des OPVs ist:
U_OUT = U_ZENER - x * U_AKKU, wobei der Faktor x mit dem Poti R2 von 0..1 eingestellt werden kann.

Da wegen fehlender negativer Versorgungsspannung U_OUT nicht negativ werden kann, wird die Ausgangsspannung solange 0V sein, bis U_AKKU auf den eingestellten Wert gesunken ist und dann sehr schnell auf etwa U_AKKU ansteigen. An den Anschlüssen (+) und (-) kann die Ausgangsspannung abgegriffen werden und zu verschiedenen Zwecken benutzt werden. In diesem Fall werden wir sie einer Blink-LED zuführen, die mit einer superhellen roten LED in Reihe geschaltet ist. Andere Verwendungszwecke wären aber auch denkbar.

Beispiel für einen 11.1V LiPoly-Akku

Der Punkt, ab dem die Ausgangsspannung ansteigt lässt sich mit dem Poti einstellen.

Variante für andere Akkus

Die obige Bauteildimensionierung ist für einen 3-zelligen Lithiumakku entworfen.
Um einen 2-zelligen Akku vor Tiefentladung zu schützen muss einfach statt der 5,6V Zenerdioden eine 3,1V Zenerdiode verwendet werden.
R1 ist dann etwa doppelt so hoch zu wählen (z.B. 5,6k).

Für weitere Akkus mit anderen Mindestspannungen wählt man die Zenerspannung mit ca. U_AKKUmin * 0,5 und den Widerstand R1 so, dass maximal 5 mA Strom durch ihn fließen.
Der Maximalstrom im Widerstand ist: (U_AKKUmax - U_ZENER) / R1
   U_AKKUmin ist Mindestspannung des Akkus
   U_AKKUmax ist Maximalspannung des Akkus


Wegen der Betriebspannung des OPVs zwischen 5V und 15V kann aus der Schaltung jedoch kein Unterspannungsschutz für 1-zellige Lithiumakkus oder mehr als 3-zellige abgewandelt werden.
Aus gleichem Grund eignet sie sich nur für Akkus mit einer Mindestspannung von minimal 6V und einer Maximalspannung von 15V.

Zusammenbau

Voraussetzung

Folgende Dinge sind erforderlich:
(Bestellnummern sind alles Conrad-Electronic Bestellnummern, Preise vom Juli 2006)

LM324:

Bei dem LM324 hat man die Wahl zwischen der kleinen und leichten SMD-Variante oder seinem "großen Bruder" im DIP-Gehäuse.
Einen wirklich großen Gewichtsunterschied zwischen beiden wird man aber nicht feststellen können, aber bei so manchem Kleinsthelikopter zählt ja wirklich jedes Gramm... Den Elektronikanfängern sein der größere LM324 empfohlen, wer geschickt mit dem Lötkolben umgehen kann wird wegen Platz- und Gewichtsgründen wohl eher den Kleinen nehmen.

Einsetzbar wäre statt dem LM324 auch der LM321 gewesen, der nur einen OPV im Gehäuse hat - der LM324 ist aber in fast jedem Elektronikgeschäft erhältlich.

Bauteile

• 1x LM324 SMD 0,31€
  BestNr. 151840-LN
  oder
  1x LM324 DIP 0,51€
  BestNr. 175838-LN
  
  
• 1x Zenerdiode 5.6V 0,26€
  BestNr. 180580-13
  Wer einen Akku-Protector für 2-zellige LiPolys möchte nimmt eine 3,1V Zenerdiode
   
• 1x Widerstand 2.26k 0,13€
  BestNr. 442313-LN
  Wer einen Akku-Protector für 2-zellige LiPolys möchte nimmt einen 5,6k Widerstand
  
  
• 1x Poti 0,60€
  BestNr. 421082-12
• 
  1x LED rot superhell 1,00€
  BestNr. 183052-12
  (sehr helle LEDs findet man übrigens auch in optischen PC-Mäusen...)
  
  
• 1x Blink LED rot 1,00€
  BestNr. 173436-12
  
  

Und für alle, die es noch nicht haben sollten:

• 1x Lötdraht 0,5mm 10g 1,45€
  BestNr. 812838-13
   
• Lötnadel 12V 5,50€
  BestNr. 830283-13
   

Außerdem nötig sind: ein regelbares Netzteil, etwas dünnen Draht, etwas dünnes Kabel (rot und schwarz), ein Voltmeter (am besten digital), etwas Zeit und eine ruhige Hand.

Anschlussplan

Die grau markierten Pins sind die, die wir verwenden.
Pin1 ist unten links, wenn man das IC so vor sich legt, dass man die Beschriftung auf dem IC richtig herum lesen kann.

Zusammengebaut könnte die fertige Schaltung dann z.B. so aussehen:

Nicht schön, aber selten - und die "Freiluftverdrahtung" spart nicht nur die Arbeit eine Platine zu ätzen, sondern auch Platz.

Einstellung

Der Teil des Schaltplans nach dem Ausgang des OPVs ist nicht explizit eingezeichnet, da es natürlich jedem frei steht statt der Blink-LEDs einen Mikropiepser zu verwenden, oder nur eine normale LED mit Vorwiderstand, oder was-auch-immer...
Ich habe jedenfalls eine Blink-LED verwendet und sie in Reihe zu einer superhellen roten LED geschaltet.
Die Reihenschaltung bewirkt, dass nicht nur die Blink-LED blinkt, sondern beide LEDs.
Die superhelle LED ist so hell, dass sie auch bei Sonnenlicht und auf große Entfernung noch gut sichtbar ist.
Meine stammt übrigens aus einer ausgedienten Logitech PC-Maus... ;-)
Die beiden in Reihe geschalteten LEDs dann an die Ausgangsspannung der Schaltung löten.

Jetzt das Poti auf Mittelstellung bringen und die Schaltung an das regelbare Netzteil anschließen (so, als wäre es der Akku).
Für einen 3-zelligen Akku die Spannung des Netzteils auf 9,4V stellen, für einen 2-zelligen Akku auf 6,4V.
Das Poti so drehen, dass die LEDs gerade anfangen zu blinken.
Jetzt mal die Spannung am Netzteil etwas höher drehen und kontrollieren, ob die LEDs aufhören zu blinken.
Wenn nicht, das Poti wieder etwas zurückdrehen und von vorne probieren.
Nach 2-3 solchen Durchläufen hat man meist den richtigen Punkt erwischt.

Tja, und das war's auch schon!
Schaltung parallel zum Akku anschließen und fertig.

Positionierung am Heck mit Abstrahlrichtung nach hinten ist m.E. der beste Ort die LEDs anzubringen, da man den Heli eher selten mit der Schnauze auf sich gerichtet hat:

Anmerkungen

Wie bereits erwähnt ist die Ausgangsspannung bei Unterspannungsalarm etwa so hoch wie die Akkuspannung - dies ist zu berücksichtigen, wenn man andere Geräte statt der Blink-LEDs an den OPV-Ausgang anschließen möchte.

Außerdem weise ich daraufhin, dass ich meine Bauteile nicht von Conrad bezogen habe sondern aus der "Grabbelkiste".
Naturgemäß kann es geringfügige Unterschiede zwischen meinen Bauteilen/Schaltung und anderen Bauteilen/nachgebauten Schaltungen geben, daher ist von jedem selbst zu überprüfen, ob seine Bauteile die Spannungen und Ströme vertragen.


So, und nun:

viel Spaß beim Nachbauen!!!