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MP3-Player-Zusatzstromversorgung USB 300 – mehr Ausdauer für den MP3-Player

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Aus ELVjournal 06/2006     0 Kommentare
MP3-Player-Zusatzstromversorgung USB 300 – mehr Ausdauer für den MP3-Player
Bausatzinformationen
ungefähr Bauzeit(Std.)Verwendung von SMD-Bauteilen.
10,5OK6/2006

Inhalt des Fachbeitrags

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Technische Daten

Spannungsversorgung2 x Mignon-Akku (LR6/AA)
Eingangsspannung2–4 V
Ausgangsspannung(en)5 V
Ausgangsstrom140–350 mA je nach Eingangsspannung
AnzeigeLow-Bat-LED
USB-BuchseUSB-A
SchalterEin/Aus
Abmessungen (B x H x T)68 x 57 x 24 mm

Die Betriebsdauer von vielen MP3-Playern, die mit einer einzigen Microzelle (AAA) versorgt werden, ist beim Einsatz von Akkus oft stark eingeschränkt. Für Abhilfe sorgt der hier vorgestellte Spannungswandler, der mit zwei Mignonzellen betrieben wird und einfach über die USB-Schnittstelle anzuschließen ist.

Allgemeines

ei der Konstruktion der meisten MP3-Player wurde viel Wert auf minimale Abmessungen gelegt. Entsprechend wenig Platz bleibt für die Stromversorgung. Da für preiswerte Modelle Lithiumzellen zu teuer sind, bleibt für die Energieversorgung in der Regel nur noch der Platz für eine einzige Microzelle. Integrierte DC/DC-Wandler sorgen dann für die erforderliche Betriebsspannung. Trotz der minimalen Energieversorgung sind in den meisten Prospekten und technischen Angaben noch ganz passable Betriebszeiten zu finden. Diese Angaben beziehen sich allerdings in der Regel auf den Einsatz von guten Alkaline-Einwegbatterien und natürlich auf eine Musikwiedergabe mit gemäßigter Lautstärke. Beim Einsatz von Akkus und etwas höherer Lautstärke sieht die Sache dann schon deutlich schlechter aus. Oft wird nur noch ein Bruchteil der angegebenen Betriebsdauer erreicht.
Bild 1: Maximaler Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Akku-Spannung
Bild 1: Maximaler Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Akku-Spannung
Alternativ zur eingesetzten Batterie oder zum Akku lassen sich nahezu alle MP3-Player auch über den USB-Anschluss mit Energie versorgen. Genau hier setzt nun unsere USB-Zusatzstromversorgung an. Ob diese Funktion beim eigenen MP3-Player zur Verfügung steht, ist einfach zu prüfen. Einfach den Player ohne Batterie oder Akku an den PC anschließen und prüfen, ob dass Gerät arbeitet. Wenn das Gerät eine Verbindung zum PC aufbaut, kann auch die Energieversorgung in nahezu allen Fällen über unsere USB-Zusatzstromversorgung erfolgen. Der Spannungswandler arbeitet mit 2 Mignonzellen, die mittlerweile mit Kapazitäten bis zu 2500 mAh erhältlich sind, und generiert daraus eine stabilisierte Ausgangsspannung von 5 V. Ausgangsseitig ist der Wandler je nach Akku-Spannung mit bis zu 350 mA Dauerstrom belastbar. Die Grafik in Abbildung 1 zeigt den maximalen Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Akku-Spannung. Selbst bei völlig entladenen Akkus (1 V je Zelle) kann noch ein Strom von ca. 140 mA geliefert werden. Untergebracht ist die Schaltung in einem kleinen Schiebegehäuse (Abmessungen 68 x 57 x 24 mm), bei dem schnell und einfach die Akkus bzw. Batterien zu wechseln sind. Auch wenn die Stromaufnahme des Wandlers im Ruhezustand nur wenige µA beträgt, kann die Schaltung mit einem Schiebeschalter vollständig abgeschaltet werden.

Schaltung

Die Schaltung des Spannungswandlers arbeitet mit einem Single-Chip-Schaltregler-IC von Sipex. Da alle aktiven Komponenten im IC integriert sind, werden als externe Beschaltung nur noch wenige passive Bauteile benötigt. Während die gesamte Schaltung in Abbildung 2 zu sehen ist, zeigt Abbildung 3 den internen Aufbau des ICs SP6648.
Bild 2: Schaltbild der Zusatz­­strom­versorgung für MP3-Player
Bild 2: Schaltbild der Zusatz­­strom­versorgung für MP3-Player
Bild 3: Interner Aufbau des SP6648
Bild 3: Interner Aufbau des SP6648
Bild 4: Funktionsprinzip des Step-up-Wandlers
Bild 4: Funktionsprinzip des Step-up-Wandlers
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Spannungsversorgung aus 2 Mignonzellen, die mit dem Ein-/Ausschalter S 1 in Reihe geschaltet sind. Über den Schutzwiderstand R 1 gelangt die Spannung dann auf Pin 1 des Schaltregler-Bausteins IC 1 und auf die Speicherdrossel L 1. Das Funktionsprinzip des Step-up-Spannungswandlers kann anhand des Prinzipschaltbildes in Abbildung 4 leicht nachvollzogen werden. Im SP6648 bestehen die Schalter S 1 und S 2 jeweils aus einem Feldeffekt-Transistor (siehe Abbildung 3). Beide Transistoren werden wechselweise in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Last durchgesteuert. Bei geschlossenem Schalter S 1 in Abbildung 4 fließt ein Strom über die Spule L 1, die magnetische Energie speichert. Sobald der Schalter S 1 öffnet und S 2 schließt, erfolgt ein Umladen der Energie in den Kondensator C 4. Schaltungstechnisch liegt C 4 parallel zur Reihenschaltung der Eingangsspannung UE und der Spule L 1. Somit addieren sich am Kondensator die Eingangsspannung und die an der Spule anliegende Spannung. Am Kondensator steht dadurch immer eine höhere Spannung zur Verfügung als am Eingang der Schaltung. Im nächsten Zyklus schließt wieder S 1 und S 2 wird gleichzeitig geöffnet. Ein Rückfluss der Kondensatorladung wird somit verhindert. Das Tastverhältnis (Puls-Pausen-Verhält­nis), mit dem die beiden Schalter geöffnet und geschlossen werden, bestimmt die Aus­gangsspannung und variiert mit der Last. Neben den Schalttransistoren sind in IC 1 auch die gesamte Steuerelektronik und eine konfigurierbare Low-Bat-Erkennung integriert. Die Vorgabe der Ausgangsspannung erfolgt mit Hilfe des Spannungsteilers R 6 bis R 8, wobei die Regelung so arbeitet, dass an Pin 6 (FB) die Spannung auf 0,61 V konstant gehalten wird. C 3 dient in diesem Zusammenhang zur Optimierung der Regelcharakteristik. Der parallel zum Speicherkondensator C 4 geschaltete Kondensator C 2 ist direkt an den IC-Pins angeordnet und dient zur Verringerung des „Ausgangsripple“. R 5 begrenzt den Spitzenstrom durch die Speicherdrossel L 1.
Der SP6648 zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der je nach Eingangsspannung und typischem Ausgangslast-Bereich bei unserem Wandler zwischen 80 % und 90 % liegt. Abbildung 5 verdeutlicht dies und Abbildung 6 zeigt die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Ausgangslast.
Bild 5: Wirkungsgrad des SP6648
Bild 5: Wirkungsgrad des SP6648
Bild 6: Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Last
Bild 6: Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Last

Nachbau

Da bei diesem Bausatz bereits alle SMD-Komponenten werksseitig bestückt sind, ist der praktische Aufbau besonders einfach und schnell erledigt. Von Hand zu verarbeiten sind nur noch die Leuchtdiode D 1, die USB-Buchse, die Batteriekontakte, der Platinensicherungshalter und der Schalter S 1. Wir beginnen mit dem Schalter, der vor dem Verlöten plan auf der Leiterplatte auflie­gen muss. Danach wird die USB-Buchse eingesetzt und ebenfalls sorgfältig verlötet. (Vorsicht! Beim Verlöten der Anschlusspins kann leicht ein Kurzschluss entstehen). In die beiden Hälften des Platinensicherungshalters wird gleich nach dem Verlöten die Feinsicherung SI 1 eingesetzt. Besondere Sorgfalt ist beim Einlöten der Batteriekontakte erforderlich. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Kontakte plan und gerade auf der Platinenoberfläche aufliegen. Das Festsetzen an der Platinenunterseite sollte mit reichlich Lötzinn erfolgen. Zuletzt bleibt nur noch die Leuchtdiode D 1 polaritätsrichtig zu bestücken. Zur Kennzeichnung der Polarität verfügt die Anodenseite (+) über einen geringfügig längeren Anschlussdraht. Die LED ist dann mit einem Abstand von 17 mm, gemessen von der LED-Spitze bis zur Platinenoberfläche, einzulöten. Die Bestückungsarbeiten sind nun abgeschlosssen. Zum ersten Funktionstest sind 2 Mignonzellen einzusetzen und die Ausgangsspannung ist an der Sicherung SI 1 zu messen. Ist der erste Funktionstest zur Zufriedenheit ausgefallen, bleibt nur noch das Einsetzen der Schaltung in das dafür vorgesehene Schiebegehäuse, und das Gerät ist betriebsbereit.

Fertig aufgebaute Platine (links) mit zugehörigem Bestückungsplan (rechts)
Fertig aufgebaute Platine (links) mit zugehörigem Bestückungsplan (rechts)

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