Projekt: Powerbank-Abschaltung mit einem Widerstand verhindern
Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Lösung, um die automatische Abschaltung einer Powerbank bei geringem Stromverbrauch zu verhindern.
Problem: Eine Powerbank schaltet sich nach einer bestimmten Zeit ab. Manchmal schon nach 10 bis 30 Sekunden. Wenn sie einen Low-Current-Mode hat auch erst nach ein paar Stunden.
Analyse: Es handelt sich um ein Leistungsmerkmal mit dem verhindert wird, dass Akku-betriebene Geräte, die über die Powerbank vollständig aufgeladen wurden und mit einer kleinen Erhaltungsladung die Powerbank vorzeitig leeren. Was in der Praxis sinnvoll ist hat den Nachteil, dass Geräte mit geringem Stromverbrauch, zum Beispiel Mikrocontroller, nicht an einer Powerbank betrieben werden können.
Fazit: In der Regel gibt es keine Powerbank, die keine Abschaltautomatik hat oder die man deaktivieren kann.
Lösung
Die Lösung lautet in der Regel, den Stromverbrauch zu erhöhen, um die Abschaltung zu verhindern. Ein einfacher Widerstand zwischen VBUS und GND kann schon die Lösung sein.
Diese sehr einfache und schmutzige Lösung hat mehrere Nachteile.
1. Nachteil: Widerstandswert muss experimentell ermittelt werden
Bei dieser Lösung wird der Stromverbrauch dauerhaft mit einem Widerstand erhöht. Das klingt einfach, ist es aber nicht. Der Grund ist, dass man bei fast jeder Powerbank einen anderen minimalen Stromverbrauch ermitteln muss.
Wenn man als Elektronik-Praktiker ein gut gepflegtes Sortiment an Widerständen auf Vorrat hat, dann kann man durch Versuch und Irrtum herausfinden, ab welchem Widerstand die automatisch Abschaltung ausbleibt.
2. Nachteil: Unnötig hoher Stromverbrauch
Der ermittelte Stromverbrauch wird in der Regel so hoch sein, dass der Betrieb an einer Powerbank energetisch wenig sinnvoll ist. Der größte Teil des Stroms wird am Widerstand in Wärme umgewandelt. Das heißt, der Strom wird verheizt und die Powerbank schneller leer.
3. Nachteil: Widerstand mit hoher Verlustleistung notwendig
Wir brauchen einen Widerstand, der die Wärmeentwicklung aushält. Dazu muss man die notwendige Leistung berechnen, etwas Sicherheitsabstand nach oben berücksichtigen und diesen Widerstand besorgen. Den hat man in der Regel nicht in der Schublade liegen.
Allerdings braucht man dafür Werte von 100 Ohm und kleiner. Desweiteren hat man in diesem Wertebereich das Problem, dass die Widerstände dann auch eine größere maximale Verlustleistung haben sollten. In der Regel verwendet man Widerstände mit einer Verlustleistung von maximal 0,25 W oder sogar weniger. Rein rechnerisch fließen bei 100 Ohm an dem 5 Volt abfallen ein Strom von 50 mA, was 0,25 W (250 mW) entspricht. Aber der Wert gilt nur für einen kurzzeitigen Strom. Bei einem Dauerstrom wird der Widerstand thermischen Schaden nehmen. Dabei geht er kaputt.
Die Frage ist, wie bekommt man das gelöst?
Die Lösung ist, die Verlustleistung auf mehrere Widerstände zu verteilen. Indem man mehrere Widerstände in Reihe und parallel schaltet, bekommt man einen definierten Ersatzwiderstand mit einer höheren Verlustleistung.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass das Zusammenschalten von zwei und mehr Widerständen unübersichtlich und fehleranfällig wird.
Fazit
Die automatische Abschaltung wird man nur dadurch verhindern, dass man den Stromverbrauch dauerhaft erhöht.
Leider muss der so erzeugte Stromverbrauch so hoch sein, dass das aus meiner Sicht energetischer Unsinn ist. Desweiteren muss man bei jeder Powerbank einen anderen Stromverbrauch ermitteln. Jeder Hersteller arbeitet mit anderen Grenzwerten.
Es ist keine gute Idee, egal wie, den Stromverbrauch mit einem oder mehreren Widerständen zu erhöhen. Das führt nur zur vorzeitigen Entladung der Powerbank.
Berechnungen für den Widerstand
Wer von dieser Lösung nicht abzubringen ist, für den gibt es folgende Formeln:
- Formel zur Berechnung des Widerstands auf Basis der Spannung am Widerstand (VBUS ≈ 5,1 Volt und dem notwendigen Strom)
- Formel zur Berechnung der dabei auftretenden Verlustleistung. Die maximale Verlustleistung des Widerstands sollte mindestens doppelt so hoch sein, wie die berechnete.
Formel zur Berechnung des Widerstands
Den Widerstand hat man schnell parallel zwischen VBUS und GND geschaltet. Die Frage ist, welchen Wert der Widerstand haben muss. Das Problem ist, dass man das berechnen muss und dazu ist der Strom zu ermitteln, mit dem die Powerbank, die du benutzt, nicht abschaltet.
Eventuell findet man Hinweise im Internet, welcher Strom für eine bestimmte Powerbank notwendig ist und kann dann den Widerstand ermitteln. Ausprobieren muss man es aber trotzdem.
Formel zur Berechnung der Verlustleistung
Man kann nicht einfach irgendeinen Widerstand verwenden. Dabei kommt es nicht nur auf dessen Widerstandswert an, sondern auch auf seine maximale Verlustleistung. Weil der Strom durch den Widerstand in Wärme umgewandelt wird, muss er die entstehende Wärme bzw. Hitze baulich dauerhaft aushalten können. Deshalb gibt es unterschiedliche Bauformen von Festwiderständen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und jeweils eine andere maximale Verlustleistung haben.
Insbesondere bei Widerstandswerten unterhalb von 100 Ohm ist Vorsicht geboten, weil hier der Strom in Abhängigkeit der Betriebsspannung höher sein kann und man eine höhere Verlustleistung berücksichtigen muss.
Tabelle: Widerstand und Verlustleistung
Die folgende Tabelle enthält zu einem Strom und der typischen Spannung an VBUS die Verlustleistung, die der Widerstand dauerhaft aushalten muss.
| Strom | Spannung | Widerstand (berechnet) | Widerstand (E24) | Verlustleistung |
|---|---|---|---|---|
| 50 mA | 5,1 V | 102 Ohm | 100 Ohm | 0,255 W |
| 75 mA | 5,1 V | 68 Ohm | 68 Ohm | 0,383 W |
| 100 mA | 5,1 V | 51 Ohm | 47 / 51 / 56 Ohm | 0,510 W |
| 150 mA | 5,1 V | 34 Ohm | 33 Ohm | 0,765 W |
Die meisten Widerstände, die man verwendet, haben eine maximale Verlustleistung von 250 Milliwatt (mW) bzw. 0,25 Watt (W). Ein normaler Widerstand mit 100 Ohm ist damit eigentlich schon ungeeignet. Das heißt, man muss einen mit 1 Watt, besser 2 oder mehr Watt verwenden.
Warnung: Wenn die maximale Leistung bei einem Widerstand überschritten wird, dann wird er dabei zerstört. Er verbrennt regelrecht. Neben einer Verfärbung, tritt eine Rauchentwicklung auf und er kann dabei auch kurzzeitig Funken oder Feuer erzeugen. Eine Mini-Explosion kann je nach Bauart erfolgen. Es besteht dabei in der Regel keine Gefahr für Leib und Leben. Allerdings kann es dabei zur Zerstörung weiterer Bauteile und zu ?Kurzschlüssen kommen, wodurch weitere Schaltungsteile in Mitleidenschaft gezogen werden.
Bessere Lösungen
Den Stromverbrauch mit einem Widerstand künstlich erhöhen ist eine denkbare, aber auch schmutzige Lösung. Schmutzig deshalb, weil der Strom nicht die ganze Zeit, sondern nur ab und zu erhöht sein muss, damit die Abschaltautomatik der Powerbank zurückgesetzt wird. Dazu ist es notwendig, kurz vor der Abschaltung den Stromverbrauch kurzzeitig zu erhöhen und dann wieder zu reduzieren.
Bessere Lösungen berücksichtigt, dass man keinen passenden Widerstand mit einer so hohen Verlustleistung in der Schublade liegen hat.
- Powerbank-Abschaltung mit zeitabhängiger Last verhindern (mit Raspberry Pi Pico)
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