Lichtspulenladeregler


Seit letztem Sommer besitze ich einen 4 PS Zweitakt YAMAHA Außenbordmotor, bei dem, im Gegensatz zu meinem bisherigen 2,5 PS Motor, der Einbau einer Lichtspule möglich ist. Diese Möglichkeit wollte ich nutzen, um den durch die Smartphones meiner Kinder drastisch gestiegenen Strombedarf zu befriedigen. Ein Laden meines Laptops war bisher an meiner 9 Ah Batterie auch nur möglich, wenn gleichzeitig die Sonne schien und das Solarmodul noch unterstützend etwas Strom lieferte. Ein Betrieb der Navigationslichter nur über die Batterie war ebenfalls nur wenige Stunden möglich.
Eine geeignete Lichtspule war dank eines Hinweises aus dem Boote-Forum schnell gefunden und gekauft. Der Einbau ist eigentlich einfach, die Hauptschwierigkeit ist dabei die Demontage der Schwungscheibe, die bei älteren Motoren sehr fest sitzen kann. Im Gegensatz zur relativ preiswerten Lichtspule fand ich den Gleichrichter und Laderegler mit über 100 Euro relativ teuer. So entschloss ich mich zum Eigenbau eines solchen Reglers, zumal ich Spaß an solchen Dingen hab und ein großer Teil des benötigten Materials schon in meinen Bastelvorräten vorhanden war.
Um einen Laderegler für eine Lichtspule zu bauen, ist es hilfreich, ihre Funktionsweise zu verstehen. Eigentlich ist so eine Lichtspule geradezu ein Fossil aus der Urzeit des Automobilbaus, als eine mechanische oder elektronische Regelung noch aufwändig und teuer war. Deshalb ist eine Lichtspule in der Lage, auch völlig ohne Regelung, unabhängig von der Drehzahl, eine konstante Leistung für ohmsche Verbraucher, in den meisten Fällen Glühlampen, bereitzustellen. Aus elektrischer Sicht ist eine Lichtspule eine Konstantstromquelle, sie liefert unabhängig von der Drehzahl des Motors einen konstanten Strom, während die Leerlaufspannung von der Drehzahl abhängig ist. Trotz dem erfolgt die Angabe der elektrischen Werte als Nennspannung und Nennleistung um die Zuordnung zu den elektrischen Verbrauchern zu erleichtern.
Normalerweise werden Lichtspulen so dimensioniert, das sie schon bei Leerlaufdrehzahl annähernd die Nennspannung und somit auch die Nennleistung bereitstellen. Daraus folgt aber auch, dass sie ohne Leistungsabgabe wesentlich höhere Spannungen erzeugen können. Nehmen wir als Beispiel meine Lichtspule mit 12 Volt und 60 Watt. Sie ist so dimensioniert, dass sie bei einer Leerlaufdrehzahl von etwa 1200 Umdrehungen pro Minute etwa 12 V erzeugt und sie erzeugt bei einer Drehzahl von 6000 U/min eine Leerlaufspannung um die 60 V. In einem Diagramm habe ich das mal stark vereinfacht und idealisiert dargestellt, da ich meinen Nachbarn die Aufnahme eines kompletten Kennlinienfeldes im Garten hinterm Haus, mit dem Außenborder in der wassergefüllten Papiermülltonne, aus Geruchs- und Lärmgründen nicht zumuten wollte.

Außer den Kennlinien der Lichtspule bei 1200, 2400, 3600 und 4800 Umdrehungen pro Minute ist die Kennlinie einer Glühlampe 12 V/60 W dargestellt, hier vereinfacht als ohmscher Wiederstand (eigentlich müsste sie gekrümmt dargestellt werden, da eine Glühlampe ein Kaltleiter ist). Unabhängig von der Drehzahl schneiden sich die Kennlinien von Lichtspule und Glühlampe bei 12 Volt und 5 Ampere. Außerdem wurde noch ein interessantes Experiment dargestellt: zwei Glühlampen mit 12 V/60 W in Reihe. Bei Drehzahlen größer/gleich 2400 U/min schneiden sich die Linien bei 24 Volt und 5 Ampere, die Lichtspule erzeugt also 120 Watt! Wie gesagt, es ist hier idealisiert dargestellt, in der Praxis schaffte meine Lichtspule nur reichlich 21 Volt bei einer wesentlich höheren Drehzahl.
Der Lichtspule schadet das nicht im Geringsten, es fließen ja weiterhin nur 5 Ampere. Der Preis für die höhere Leistung ist, dass bei der Leerlaufdrehzahl nur etwa 6 Volt pro Glühlampe erreicht werden.
Zum Betrieb der Navi-Beleuchtung, bestehend aus Zweifarblampe 12 V/25 W, Dampferlicht 12 V/25 W und Hecklicht 12 V/10 W, in Summe also 12 V/60 W, wäre die Lichtspule also direkt, ohne Regelung geeignet. Brennt aber eine der 12 V/25 W Glühlampen durch, so zerstören die nun anliegenden 20 V sofort die verbleibenden 2 Lampen. Im Diagramm ist dieser Zustand gestrichelt gezeichnet.
Zum Laden einer Batterie ist die Lichtspule so ohne weiteres nicht geeignet. Zum ersten muss der von ihr erzeugte Wechselstrom noch gleichgerichtet werden, aber das ist ein vergleichsweise geringer Aufwand. Schlimmer ist, dass sie unabhängig vom Ladezustand der Batterie, also auch wenn diese bereits voll geladen ist, 5 Ampere in diese hineinpumpen würde, sobald die Motordrehzahl die Leerlaufdrehzahl übersteigt. Verschiedene Hersteller empfehlen deshalb die Verwendung einer sehr großen Batterie, in der Hoffnung, dass diese, durch den dann im Verhältnis relativ geringen Ladestrom, keinen Schaden nimmt. Ein Rat, der zu der Zeit, als man alle 2 Wochen destilliertes Wasser nachfüllte, geeignet war das schlimmste zu verhüten. Für moderne Batterien ist die Lösung ungeeignet und es ist auch nicht jeder bereit, eine derart überdimensionierte Batterie mitzuführen.
Eine Möglichkeit, die verschiedentlich mit Erfolg praktiziert wird, ist, einen Solarladeregler hinter den Gleichrichter zu schalten. Mir gefiel dabei nicht, dass es funktionieren kann, aber nicht muss. Solarladeregler müssen, wenn sie für 12 Volt Module gedacht sind, nur Spannungen bis maximal 30, vielleicht auch 40 Volt aushalten, die Spannung einer Lichtspule kann, wie oben gezeigt, wesentlich höher sein. Der Regler wird also außerhalb seiner spezifizierten Betriebsgrenzen betrieben. Ein Ausfall, möglicherweise in einem kritischen Moment, ist also nicht unwahrscheinlich.
Ich stellte verschiedene Experimente mit Längsreglern an, die aber alle nicht so recht befriedigten. Dass die Batterie eines SIMSON Motorrollers, den ich letzten Herbst geschenkt bekam, nicht mehr geladen wurde, war für mich Anlass, mich mit der dort verwendeten Ladetechnik zu beschäftigen. Die Innenschaltungen der dort verwendeten Laderegler sind im Netz verfügbar. Durch Übernahme des dort verwendeten Funktionsprinzips kam ich auf folgende Lösung:

Die Funktion der Schaltung ist einfach: Ist die Spannung am Ausgang kleiner als 13,8 Volt sperren die Thyristoren, die Schaltung arbeitet wie eine ganz normale Zweiweggleichrichtung und die Batterie wird mit 5 Ampere geladen. Steigt die Spannung am Ausgang über 13,8 Volt, werden die Thyristoren über die Z-Dioden gezündet und der jeweilige Gleichrichterzweig bis zum Ende der Halbwelle kurz geschlossen. Das ganze wiederholt sich für die nächste Halbwelle im anderen Brückenzweig. Die elektrische Energie wird durch den Kurzschluss nicht etwa irgendwie „verbraten“, sondern sie wird wegen der Eigenschaften der Lichtspule als Konstantstromquelle gar nicht erst erzeugt. Zumindest bis auf einen kleinen Rest, durch die Restspannung über den Thyristoren, die auch im durchgesteuerten Zustand bestehen bleibt. So ist doch ein kleiner Kühlkörper für jeden Thyristor notwendig.
Wem es noch nicht aufgefallen ist: Eigentlich hätte man die Schaltung auch als ganz normale Zweiweggleichrichtung aufbauen können und die dann direkt aufeinanderfolgenden Halbwellen mit einem einzigen Thyristor kurz schließen können. So hatte ich die Schaltung auch erst aufgebaut und an einer mit einem Trafo und mehreren Hochlastwiederständen simulierten Wechselstromkonstantstromquelle hat das auch wunderbar funktioniert. Die Ernüchterung kam beim finalen Praxistest am Außenbordmotor in der Papiermülltonne: War der Thyristor einmal gezündet, blieb dieser Zustand dauerhaft erhalten, auch wenn die Spannung am Ausgang auf unter 13,8 Volt sank. Offenbar reichte die Zeit zwischen zwei direkt aufeinander folgenden Halbwellen nicht, um den Thyristor zu löschen. Ich habe das nicht näher untersucht, da ich nicht im Freien, am Oszillograph hantierend, mit laufendem Außenbordmotor, die Nachbarn nerven wollte. Die Schaltung mit den zwei Thyristoren hat außerdem den Vorteil, dass sich die Wärmeleistung auf zwei Thyristoren verteilt und die Schaltung auch noch für größere Lichtspulen mit 80 oder 100 Watt geeignet sein dürfte.
Die beiden Leuchtdioden könnte man auch weglassen, aber sie ermöglichen eine einfache Funktionskontrolle der Regelung: Ist die Spannung am Ausgang kleiner als 13,8 Volt, leuchten sie mit voller Helligkeit, da sie über die Dauer jeweils einer vollen Halbwelle mit Strom versorgt werden. Wird der Strom durch die Thyristoren herunter geregelt, leuchten sie dunkler, bis sie, wenn am Ausgang kein Strom mehr fließt, nur noch ganz schwach glimmen. In der Praxis sind die Spannungen der Z-Dioden V9 und V10 und die Zündströme der Thyristoren nie genau gleich. Bei abnehmender Belastung verlischt deshalb erst die eine und dann die andere.
Durch den großen Kondensator am Ausgang ist auch ein Betrieb ohne Batterie möglich, aber nicht unbedingt zu empfehlen. Bei einer Fehlfunktion der Schaltung wirkt die Batterie, zumindest für eine gewisse Zeit, als Überspannungsschutz.
Die Schaltung wurde auf einer 100 x 50 mm großen Leiterplatte aufgebaut. Die Thyristoren erhalten jeweils einen kleinen Kühlkörper, der isoliert befestigt werden muss, da er elektrisch mit der Anode des Thyristors verbunden ist. Die Dioden werden über die Anschlussdrähte gekühlt, auf der Leiterplatte sind dafür möglichst größere Kupferflächen vorzusehen. Die Ausgangsspannung hat bei mir auf Anhieb gepasst, nötigenfalls können durch Verändern der Wiederstände R5 und R6 noch Anpassungen vorgenommen werden. Ein Einbau in den Außenbordmotor ist wegen der mechanischen Belastung nicht zu empfehlen, ich habe die Schaltung in einem kleinen Gehäuse mit Lüftungslöchern im Boot in der Nähe der Batterie untergebracht.
Der Laderegler hat jetzt seinen ersten Bootsurlaub hinter sich. Er versorgte parallel mit einem 20 Watt Solarmodul die 9 Ah Bordbatterie. Die Batterie war trotz der Smartphones immer ausreichend geladen und ein längerer Betrieb der Navigationsbeleuchtung als 1 oder 2 Stunden ist nun zumindest bei Motorfahrt möglich.
Mit Hilfe eines Microcontrollers und eines Spannungswandlers könnte man den Ladestrom erhöhen, indem man aus der bei höheren Drehzahlen möglichen erhöhten Spannung einen zusätzlichen Ladestrom erzeugt, ähnlich der Funktionsweise eines MPPT-Solarladereglers. Eine interessante Aufgabe für die Zukunft, deren Realisierung sicher noch etwas warten muss, da die momentane Lösung wunderbar funktioniert.