Avagy szabaduljunk meg a ceruzaelemektől és ceruzaakkuktól intenzív gányolással

Sok olyan eszközt használunk, amiknek AA vagy AAA méretű ceruzaelemek, vagy ennek akkumulátor megfelelői adják az energiát. Amellett, hogy rendszeres macera ezek töltése, cseréje, felügyelete, az elemek pl. jelentős környezetterhelést is jelentenek. Ha azonban valakinek van kedve némi átalakítást végezni, könnyen megoldható az ilyen eszközök lítiumakkuról való működtetése, és eszközön belüli töltése pl. micro USB csatlakozóról. Természetesen nem mindenhova érdemes elem helyett akkut tenni : falióra, távirányító egy-két elemmel évekig elmegy.

Maga az átalakítás általában nem nehéz, nyilván előzetesen érdemes végiggondolni, hogyan lehet ésszerűen megoldani. A leírás konyhanyelvű lesz, mert egy szakembernek amúgy sem ügy egy ilyen megoldás

(Vigyázat! A lítiumakku nem játék, tehát a rövidzár, direkt USB táp akkura kötése, stb. kerülendő!)

Alapelv

A lényeg annyi, hogy az elem által leadott feszültséget állítsuk elő más energiaforrással, amely legalább annyira terhelhető, mint amit az eszköz igényel.. Az eszköznek ugyanis mindegy, miből kapja meg a megfelelő feszültséget, és az általa igényelt áramot, csak legyen ott, hogy működni tudjon. Persze az sem hátrány, ha az új energiaforrás elfér az eszközben.

Az alkálielemek feszültsége névlegesen 1,5V, a nikkel-metálhidrid akkuké 1,2V, a nikkel-cink akkuké1,6. A modernebb lítium-polimer akkuk feszültsége 4,2V körüli (3,7 szokott rá megadva lenni). A szerencse, hogy a töltéshez is ekkora feszültség szükséges, tehát az akku tölthető az eszköz használata közben is.
Az eszközbe szükséges elemek feszültsége persze a legritkább esetben egyezik egy akkuéval; azaz a 3, sorba kötött elem 4,5V-ja azaz éppen megfelel, de általában nem ilyen szerencsés a dolog Egy darab CR2032 lítiumelemmel (3,7V) működő készülékek általában gond nélkül működtethetők egyéb lítiumcelláról.

Akkunak használható ceruzaakku méretű lítiumakku, beszerezhetőek "zsák" kivitelű cellák, vagy használhatjuk pl. régi telefon jó állapotú akkuját. Érdemes meggondolni, mekkora kapacitású akkut használunk. Egy elem kapacitása 1500-2000mAh is lehet, és bár akkuból néha elég kisebb is (hiszen bármikor tölthetjük), érdemes hasonló kapacitást választani.

Telefonakku, lítium-polimer cella, és ceruza-lítiumakku. Forrás : eBay

Megvalósítás 3 elemes, vagy CR2032-es táplálás esetén

Ebben az esetben elegendő, ha az elemek helyére kötjük az akkut (ebben az esetben lehet ceruza méretű lítiumakku is), majd és az eszköz működni is fog róla. Az akku töltéséhez egy egyszerű töltőmodul megfelel az ebay-ről pl. :

Töltőáramkör egy darab lítiumcellához. Forrás : eBay

Telefonakkuhoz átalakított konyhamérleg (egy CR2032 elemet pár perc alatt lemerített, de akkuról gond nélkül használható).

Az akku töltése

A fenti képeken a töltőmodul egy cella töltésére alkalmas. Az eszközön érdemes valami könnyen hozzáférhető (és kulturált) módon kivezetni a töltő USB aljzatát. Ha ez nem lehetséges, vagy nem érdemes, a töltőre közvetlenül is beköthetünk 5V feszültséget - ennél magasabb töltőfeszültség esetén érdemes egy 7805 vagy hasonló stabilizátorral előállítani 5V-t (így 5...35V között nagyjából bármiről lehet tölteni az eszközt), és beiktatni egy soros diódát a pozitív ágba (ez véd a fordított tápfeszültség ellen).

Érdemes egy kapcsolót beiktatni (ha nincs az eszközön) az akku és a töltő után, így használaton kívül sem merül az akku. A töltő kimenetét az akku kivezetéseire kötjük, ugyanoda, ahova a fogyasztót is. Mivel az akku töltőfeszültsége az akku teletöltött állapotú feszültségével egyezik, töltés közben is működhet a fogyasztó.

Amennyiben a táplált eszköznek van saját, belső töltője is, azt érdemes megszüntetni.

1 vagy 2 elemes eszközök átalakítása

Mivel ez esetben a működési feszültség 3V - 2,6V körül van, az akku feszültségét valamivel csökkenteni kell. Erre a legegyszerűbb módok

- step-down stabilizátor
- stabilizátor IC (78R33 vagy LM1117-33 3,3V-hoz)
- sorba kötött diódák

A legolcsóbb néhány (pl. 1n400X) dióda sorba kötése;ezeken minimális teljesítményveszteség mellett 0,6-1,1V esik, pár darab diódával beállítható a kívánt feszültség.
A step-down stabilizátorok előnye az állítható feszültség, és hogy a bemeneti feszültségtől függően a kimeneti feszültségüket megtartják (általában 3,3-37V minimális bemeneti feszültség mellett).
A stabilizátor IC-k olcsók, és a stabilizált feszültségük feletti bemenő feszültséget igényelnek.
Az esetlegesen beiktatott kapcsolót a feszültséget csökkentő megoldás elé érdemes kötni, így az kikapcsolt állapotban nem fogyaszt energiát.

Érdemes megvizsgálni a készülék tápbemenetét is. Vezeték nélküli Genius egérben pl. találtam a bemeneten step-up/step down szabályzót, amely 0,8 - 5V között bármilyen feszültségből előállítja az egér tápfeszültségét, így tehettem 330mAh-s, ceruza kivitelű lítiumakkut az elem helyére.

Korábban már építettem ilyen megoldással külső akkus fényképezőgépet is; abban 2db AA elemet váltott ki egy Nokia akku.

A külső akkus Panasonic DMC-LS80 - azóta is működik

A fenti Panasonic fényképezőgépen használt AAA-AA elemátalakító nemkülönben jó lehetőség arra, hogy külső tápforrásról működtessünk egy elemes eszközt.

4 vagy több elemes eszközök átalakítása

Ezekben az esetekben az a probléma, hogy nagyobb tápfeszültséget kell előállítanunk, mint amit egy lítiumcella leadni képes. 4 elem feszültsége 6V, ehhez vagy egy step-up áramkör, vagy két cella használata szükséges.

Két, sorba kötött lítiumcella 8,4V kimeneti feszültséget ad; ehhez már nem elég az egy cellához való töltő, BMS (battery management) áramkörre van szükség. Ez megoldja a cellák védelmét és töltését is, ám a cellák kimeneti feszültségéhez hasonló tápfeszültséget is igényel - 8,4V körülit.

BMS áramkör 2 soros (2S) cellához. Forrás : eBay

A step-up áramkörökkel egy alacsonyabb (jellemzően minimum 3,7V) feszültségből magasabbat állíthatunk elő; így egy 4,2V-os celláról üzemeltethető egy magasabb feszültséget igénylő készülék. Mivel könnyen vehetünk állítható kimenetű darabokat, nem probléma a szükséges feszültség beállítása. Érdemes figyelni az áramkör terhelhetőségére, illetve ilyen esetben érdemes párhuzamosan kötött lítiumakkukat használni a nagyobb fogyasztás ellensúlyozására. (Párhuzamosan azonban csak azonos kapacitású, típusú akkukat érdemes kötni.)

Step-up áramkör. Forrás : eBay

Végszó

Sokféle elemes eszközről volt szó a fentiekben; az alternatív táplálás kialakítása is eltérhet. Nem is feltétlenül van általános megoldás, de a legtöbbje a bevezetőben említett módhoz hasonló - a bemenő feszültség stabilizálása (ha szükséges), egy akkutöltő modul, amire az akku és a fogyasztó kapcsolódik - a fogyasztó esetleg egy további stabilizátoron át. A legbonyolultabb esetet a lenti rajzon ábrázoltam blokkvázlat-szerűen :

A rajz a Circuitlab.com -on készült