Zweites Leben für Batterien - Restenergie extrahieren

Von Lothar Göde (Deutschland)

Beim Betrieb von mobilen Geräten fallen im Laufe der Zeit etliche Batterien an, die dann den Weg in die Sammelboxen von Supermärkten antreten. Doch selbst augenscheinlich leere Batterien können noch relevante Mengen an Restenergie enthalten! Dies gilt vor allem für die viel genutzten Typen im AA- oder AAA-Gehäuse. Ob eine Batterie leer ist, hängt davon ab, wie hoch die entnommenen Ströme sind. Bei geringen Lasten mit Strömen im einstelligen mA-Bereich sind Batterien ziemlich ausgelutscht, wenn das damit betriebene Gerät seinen Dienst aus Energiemangel versagt. Die Restspannung liegt dann oft unter 0,9 V im Leerlauf – das Kriterium dafür, ob eine Batterie wirklich ihr letztes Quäntchen Energie abgegeben hat

Bei heftigeren Lasten wie zum Beispiel in Taschenlampen oder für Motoren in Spielzeugen bricht die Spannung der Batterie aufgrund ihres mit der Nutzung steigenden Innenwiderstands im Betrieb früher ein. Ein Batteriewechsel wird fällig, obwohl die Batteriespannung ohne Last oft 1,3 V und mehr erreicht. Schade, wenn man diese Batterien jetzt schon entsorgen würde, nicht wahr?

Energie-Extraktor

Die obigen Überlegungen führten beim Autor dazu, dass er sich eine Schaltung gebaut hat, welche die Restenergie von „alten“ Batterien so weit wie möglich ausnutzt. Das Prinzip ist eigentlich nicht sehr kompliziert: Man nehme einen effizienten Step-up-Konverter kleiner Leistung, der auch mit sehr niedrigen Eingangsspannungen klarkommt. Konkret betreibt er mit seiner Schaltung ein normales kleines Radiogerät und einen Radiowecker.

Die Schaltung von Bild 1 zeigt die E³ (Energie-Extraktor-Elektronik) in voller Pracht. Man erkennt acht Batterien, die über kleine Schottky-Dioden zusammengefasst sind. Der nachfolgende Aufwärts-Schaltregler des Typs MCP1640 macht aus der geringen Eingangsspannung zuverlässige 3,3 V – zumindest solange, bis die letzte Batterie das letzte Elektron über seine Elektroden auf Wanderschaft geschickt hat.
 

Dass acht Batterien über Dioden quasi parallelgeschaltet sind, ist sinnvoll. Der Innenwiderstand einer einzigen Batterie wäre schnell zu hoch, würde sie nennenswert belastet. Durch die Parallelschaltung aber sinkt die Belastung der einzelnen Batterie, sodass alle länger Energie liefern können. Den Spannungsverlust durch die in Serie geschalteten Dioden muss man dafür in Kauf nehmen, weshalb für D1…D8 unbedingt Schottky-Dioden mit möglichst niedriger Vorwärtsspannung eingesetzt werden sollten.

Das IC MCP1640 von Microchip ist ein preiswerter, kleiner Schaltregler für Ströme bis zu 350 mA, der niedrige Eingangsspannungen in von 2 V bis 5,5 V einstellbare Ausgangsspannungen hochsetzt. Dank seines geringen Ruhestroms von 19 µA ist er auch bei kleinen Lastströmen recht effizient und erreicht bei Eingangsspannungen unter 0,9 V und einer Last von einigen 10 mA immer noch einen Wirkungsgrad von um die 80 %. In die Gesamteffizienz der Schaltung geht natürlich auch der Verlust über die Dioden ein und mit mehr als 60 % über alles sollte man nicht rechnen. Aber 60 % von etwas, das man sonst weggeworfen hätte, ist sehr viel mehr als nichts.

Restbatteriebetrieb

Dank der Dioden wird natürlich die stärkste Batterie zu Anfang am meisten belastet, und dann gleichen sich die Batteriespannungen nach und nach an. Das Diagramm von Bild 2 zeigt an einer Messreihe, dass ein kleines Radio gut acht Wochen mit einem Satz alter Batterien betrieben werden konnte. Dabei war das Radio im Schnitt 105 Minuten/Tag in Betrieb und benötigte im Mittel einen Strom von 35 mA. Dass es Zeit zum Wechseln der Batterien ist, merkt man auch daran, dass der Klang des Radios schlechter wird, weil seine Versorgung einbricht.
 

Das Radio wäre ansonsten mit einem Steckernetzteil betrieben worden, das eine Ruheleistung von 1,1 W verbrät. Im Betrieb schluckte es sogar 3,5 W. In acht Wochen wären also rund 1,6 kWh verbraucht worden. Mit etwa 50 ¢ ist die Ersparnis zwar ökonomisch begrenzt, aber ökologisch dennoch sinnvoll.

Bild 3 zeigt den Radiowecker, der dank E³ mit gebrauchten Batterien betrieben wird. Interessant ist das Gehäuse rechts: Es wurde einfach die Elektronik eines Akkuladers durch die E³ ersetzt. Die Federkontakte können acht AA- oder AAA-Zellen aufnehmen – eine sehr elegante Lösung. Je mehr Batterien gleichzeitig ausgesaugt werden, desto mehr Restenergie können sie liefern.
 

(210582-01)

Über den Autor

Lothar Göde absolvierte eine Lehre zum klassischen Elektriker und befasste sich in seiner Freizeit mit Elektronik-Selbstbauprojekten, die manchmal auch nicht funktionierten. Damit er die Schaltungen besser verstehen konnte, studierte er Elektronik. Seit einigen Jahren ist er als Entwickler im Bereich Embedded Software tätig.
 

Sie haben Fragen oder Kommentare?

Bei technischen Fragen können Sie sich gern an die Elektor-Redaktion wenden unter der E-Mail-Adresse redaktion@elektor.de.