Notstromversorgung im Shack (2)

Nachdem ich im 1. Teil eher Grundlegendes erörtet habe, geht es jetzt um die Schleifchen die man an die Notstromversorgung im Shack binden kann – aber sicher nicht muss. Man kann das Thema auch etwas umfasender betrachten und die Notstromversorgung so auslegen, dass man auch (Öl-) Heizung oder Kühlschrank für einige Zeit betreiben kann.

Mit Lithiumakkus geht es auch.

Wer das Thema von der Portabelstation hier denkt, will vielleicht Gewicht sparen. Für rund 100 EUR Mehrpreis kann man gegenüber einem Blei-Gel-Akku rund 2 kg sparen, wenn man eine größere Powerbank mit Lithium-Akku nutzt. Die dort angegebene Kapazität bezieht sich auf die Summe der verbauten Zellen – typisch 6-8 Stück der Bauform, der sonst einzeln in Tablet-Computern genutzt wird. Wenn man die Verluste des Spannungsreglers einkalkuliert, sollte man die Kapazität mit 3 V multiplizieren. Aus 26.000 mAh werden so rund 78 Wh. Unser Blei-Gel-Akku hätte, so berechnet, eine Kapazität von 6 * 7.000 mAh = 42.000 mAh – wenn auch bei einer deutlich niedrigeren Zellenspannung.

Für den Routinebetrieb eignen sich viele Powerbanks weniger: Der Ausgangs-Schaltregler wird in aller Regel mit der Ausgangsbuchse geschaltet. Wenn man das Shack verlässt, müsste man also immer den 12-V-Stecker ziehen, was weder komfortabel ist noch die Buchse über diverse Jahre durchhält.

Diese Powerbanks haben eine recht geringe Selbstentladung. Man kann sie also in die Schublade legen und zweimal im Jahr nachladen. Dann ist man sowohl für Portabelbetrieb als auch den Notfall gerüstet.

In dieser Klasse von Powerbanks gibt es einzelne, die ausdrücklich für den Anschluss an Solarmodule beworben werden [1]. Typisch werden diese Powerbanks mit einem 18-V-Netzteil ausgeliefert. Die Serienschaltung der 6-8 Lithium-Zellen hat eine höhere Spannung. Der Laderegler ist also ein Aufwärts-Schaltregler. Wenn der z.B. erst ab 12 V arbeitet, sollte er mit der Charakteristik eines Solarmoduls harmonieren. Die Leerlaufspannung eines 12-V-Solarmoduls ist niedriger als die Ladeschlussspannung des Akkus, so dass hier wohl nichts passieren kann.

Es hat seinen Grund, warum ich hier plötzlich vom Selbstbau nichts mehr wissen will: Lithium-Akkus, egal mit welcher genauen Chemie, sind nur unter genau definierten Betriebsbedingungen sicher. Die Ladespannung darf nicht zu hoch werden und die Entladespannung nicht zu niedrig. Im Zweifelsfall brennen sie unter heftiger Hitzeentwicklung ab. So ein Feuer darf man auf keinen Fall mit Wasser bekämpfen! Lithium entzieht dem Wasser den Sauerstoff, wodurch zusätzlich noch Wasserstoff frei wird. Einschlägie Filme gibt es bei Youtube. Das muss man nicht zuhause haben!

Solartechnik wird erwachsen

Allein mit Akkus kann man gut ein paar Tage überbrücken. Soll der netzunabhängige Betrieb länger möglich sein, muss man die Akkus nachladen: Um Strom für 30 ct (1 kWh) zu speichern, braucht man einen Akku für einen dreistelligen Euro-Betrag. Das heutige Mittel der Wahl ist weniger das Benzin-Stromaggregat, sondern sind Solarmodule. Man sollte allerdings bedenken, dass die Sonne auch mal ein paar Wochen nicht scheint – vor allem im Winter. Das Kapitel ist so umfangreich, dass ich es ausgelagert habe: Solarmodule im Notfunk

12 V, 13,8 V oder 24 V?

Batterien haben es an sich, dass ihre Klemmenspannung schwankt. Die meisten Funkgeräte sind da in weiten Grenzen tolerant, vielleicht sinkt die Sendeleistung um eine halbe S-Stufe. Die Stromspitzen beim SSB-Betrieb kann man mit einem 1-F-Kondensator (Powercap aus dem Auto-Hifi-Handel) wegpuffern, was die Spannungseinbrüche deutlich vermindert und die Akkukapazität schont. Wer aber seinen Geräten unbedingt konstante 13,8 V anbieten will, braucht einen Spannungswandler. Dann sollte man das Batteriesystem mit 24 V betreiben: Man spart eine Menge Kupfer und der Spannungsregler muss nur abwärts transformieren. Das tut dem Wirkungsgrad gut.

24-V-Technik empfiehlt sich auch, wenn man bei Stromausfall weitere Geräte versorgen will. Das kann im Sommer die Gefriertruhe oder im Winter die Ölheizung sein. Dann muss man die Batteriekapazität reichlich bemessen und einen hinreichend leistungsfähigen Spannungswandler vorsehen. Das kann z.B. eine (gebrauchte) USV der 1000-VA-Klasse sein, die intern vermutlich sowieso mit 24 V arbeitet. 1000 W in 12-V-Technik bedeutet einen Strom von rund 100 A!

Ich gehe gerade noch weiter: Im Lauf des letzten Jahres liefen mir Akkus für nominell 12 V/360 Ah zu, die mich kaum mehr als 100 EUR kosteten. Der größte Teil davon ist gebraucht, gehen wir also man von 200 Ah aus. Das war mir aber zu viel Gedöns für's Shack, weshalb ich eine 2 * 4-mm²-Leitung in den Keller legte – schließlich hatte ich rechtzeitig für genug Leerrohre gesorgt. Diese vielleicht 20 m lange Leitung hat 300 mΩ Widerstand.

Es ist klar, dass ich über diese Verbindung mit 12 V keine großen Leistungen übertragen kann. Es gibt aber Betriebszustände, in denen freiwillig zwei Drittel des Ladestroms aus den Solarmodulen in dn Keller fließen. Der 30-Ah-Akku im Shack sorgt für eine hinreichend stabile Betriebsspannung. Die Akkus im Keller liefern bei Bedarf Nachschub.

Es ist klar, dass ich auf diesem Weg die Akkus im Keller nicht wirklich voll bekomme, was vor allem wegen des Sulfatierungsschutzes wichtig ist. Deshalb habe ich einen Schaltregler so eingestellt, dass er maximal 15 V und maximal 2,5 A liefert. Den hänge ich aktuell immer mal wieder manuell in die Leitung zum Keller.

Wie's aussieht, laufen mir demnächst ein paar weitere Solarmodule zu. Die werde ich dann wohl mit einem eigenen Solarregler direkt im Keller an die Akkus dort anschließen und das Ganze gleich in 24-V-Technik aufbauen. Schließlich habe ich darauf geachtet, dass ich meine Akkus immer paarweise eingekauft habe. Wenn mir im Shack der Strom knapp wird, kann ich den 30-Ah-Akku aus dem Keller über einen Schaltregler nachladen oder das Funkgerät gleich über dem Schaltregler mit stabilen 13,6 V versorgen.

Zusätzlich lohnt es sich bei dieser Speicherkapazität, im Keller einen Wechselrichter anzuschließen. Damit kann ich dann im Notfall den Kühlschrank oder die Heizung versorgen. Nein, ich habe keine Elektroheizung :-) Aber meine Heizung braucht im Betrieb etwa 60 W.

Vorsicht bei modifiziertem Sinus

Bei den Wechselrichtern gibt es billigere mit modifiziertem Sinus und teurere mit echtem Sinus am Ausgang. Im ersten Fall versucht der Hersteller mit einfachsten Mitteln, Effektiv- und Spitzenwert einer Sinusspannung nachzuahmen, was auf einen modifizierten Rechteck hinaus läuft: positive und negative Rechteckimpulse mit Pausen dazwischen. Den Effektivwert braucht man für ohmsche Verbraucher wie Glühbirnen oder Lötkolben. Auf den Spitzenwert laden die heutigen Schaltnetzteile ihren Ladekondensator auf. Der modifizierte Sinus bedeutet einen reichen Oberwellengehalt der Wechselspannung, den man Transformatoren und vor allem Motoren (Kühlschrank, Umwälzpumpe) nicht zumuten sollte.

Beispielsweise LED-Lampen, die einen Kondensator als Vorwiderstand nutzen oder nur nahe des Spannungs-Nulldurchgangs Strom aufnehmen, überstehen eine solche Betriebsspannung wohl nicht. Die Notfallbeleuchtung sollte man aus Gründen des Wirkungsgrades sowieso direkt mit der Batteriespannung betreiben.

Der schon erwähnte 1-F-Kondensator schont übrigens den Akku auch beim Betrieb eines Wechselrichters: Dessen Stromaufnahme schwankt stark im Takt der Ausgangs-Wechselstroms.

Sicherheit!

[Sorry: Der folgende Abschnitt ist teilweise redundant zum Ende von Teil 1. Als einschlägiger Fachmann habe ich aber absolut keine Chance, etwas potentiell Gefährliches ohne einschlägigen Warnhinweis zu lassen.]

24 V sind Sicherheits-Kleinspannung. Das bedeutet aber nur, dass man keine großen Schutzmaßnahmen gegen Berührung ergreifen muss. Etwas anderes ist, speziell rund um den Akku, viel kritischer: Wir reden hier über Spannungsquellen, die problemlos 100 A und mehr Strom liefern können!

Ich kenne einen Funkamateur, dem in der Frühzeit der Elektromobilität sein Fahrzeug beim Laden der Blei-Gel-Akkus abbrannte.
Nach einem Vortrag zu diesem Thema erzählte mir ein OM folgendes Erlebnis: Er half der Wittwe eines OMs, zwei Jahre nach dessen Tod das Shack auszuräumen. Als er den Strippensalat beseitigen wollte, gab es plötzlich Rauchzeichen und ein Kabelrohr in den Keller brannte aus - der Weg war anhand einer braunen Spur zu verfolgen. Niemand wusste, dass der OM eine Batterie im Keller hatte. Es zeigte sich, dass die Batterie im Keller nicht abgesichert war. Wäre ernsthaft was passiert, hätte wohl keine Gebäude- oder Haftpflichtversicherung gezahlt. Das war ganz offensichtlich eine grob fahrlässige Konstruktion.

Es gilt also, einige einschlägige Grundsätze einzuhalten:

Jede Leitung muss so viel Strom führen können, wie die davor liegende Sicherung durchlässt. Die genauen Vorgaben enthält die DIN VDE 0298-4, die man im Internet zitiert findet. Konservative phi-mal-Daumen-Regel: Sicherungswert 10 A pro mm² Querschnitt einer Kupferleitung. Wegen der Leitungsverluste wird man häufig sowieso größere Querschnitte wählen. Geht irgendwo eine schwächere Leitung ab, muss sie gleich am Anfang entsprechend abgesichert werden.
Der Innenwiderstand des Stromkreises muss so gering sein, dass die Sicherung auch auslösen kann. Beispiel: 10 V / 30 A = 0,33 Ohm! Das Missachten dieses Grundsatzes macht viele 12-V-Mehrfachsteckdosen brandgefährlich: Kupfer ist teuer und da sparen die Hersteller in Fernost. Bei einem Kurzschluss am Ende fängt die Leitung der Mehrfachsteckdose an zu qualmen (12 V * 30 A= 360 W), aber die Sicherung löst nicht aus.
Die Verbindungen müssen entsprechend fest und dauerhaft sein. Es empfehlen sich Adernendhülsen und Kabelschuhe mit Crimpanschlüssen. Sicherheitshalber löte ich die Drahtspitzen in den Adernendhülsen usw. auch noch an. Schließlich hat nicht jeder die optimale Kombination aus Leitung, Kabelschuh und Werkzeug.
Kritisch sind die Minus-Leitungen bei Geräten mit geringer Leistungsaufnahme. Entweder man sichert auch sie ab, wie das wohl jedes Stromkabel eines Mobiltransceivers macht, oder man lässt die Minus-Leitung ganz weg. Beispiel: Wenn sich die Minus-Leitung des Transceivers löst, will dessen Strom über das Koaxkabel zum Vorverstärker fließen und dann über dessen Minus-Drähtchen zur Batterie. Der Vorverstärker findet seinen Minus-Anschluss auch über das Koaxkabel und den Transceiver.

Recht hilfreich ist übrigens ein Zangen-Amperemeter – die gibt es mittlerweile auch für Gleichstrom. Damit kann man beispielsweise die Stromverteilung bei parallel geschalteten Akkus prüfen. Mit einem normalen Vielfachmessinstrument kommt man hier nicht weit.

Besonders viel Gehirnschmalz erfordert das Dimensionieren von Querschnitten und Sicherungen, wenn man diverse Akkus parallelschaltet. Bei mir taten eine Zeit lang vier Blei-Gel-Akkus Dienst. Jeder war einzeln mit 15 A abgesichert und jeweils zwei hatten eine gemeinsame Leitung zum Laderegler. So kann ich mit einem Akkupaar eine 100-W-Station betreiben. Aber der Batteriekreis musste für 60 A ausgelegt werden. Mit 2,5 mm² sollte man ihn nicht aufbauen. Hier mit Powerpole-Steckern zu arbeiten ist ein ziemlicher Kampf.

Mittlerweile kamen noch einige Akkus dazu, von denen ich sechs in den Keller ausgelagert habe – dort ist es kühler und da ist mehr Platz als im Shack. Diese sechs Akkus sind mit jeweils 5 A abgesichert, weil die Leitung ins Shack 0,3 Ω Widerstand hat. Wenn diese Leitung im Shack einen Kurzschluss haben sollte, müssen im Keller immer noch die Sicherungen auslösen. Das werden als erstes die Sicherungen an den großen Akkus tun, was dann eine Kettenreaktion auslöst. Die wird wohl schon unter 30 A ausgelöst. Aber auf diese Konstruktion komme ich nochmal getrennt zurück.

Funkstörungen?

Dieser Artikel erwähnt an mehreren Stellen Schaltregler, die sich nicht durch analoge Längsregler ersetzen lassen. Schaltregler sind berüchtigt als üble Störer. Bei meinen Experimenten traten wesentliche Probleme aber nur im Langwellenbereich auf: Schaltregler arbeiten heute typisch mit Frequenzen ab 150 kHz. In der Nähe eines Langwellenempfängers will man die sicher nicht haben. Wenn man die entsprechenden Geräte über den Versandhandel innerhalb der EU bezieht, kann man sie bei EMV-Problemen problemlos zurückschicken – man muss es nur innerhalb von zwei Wochen tun.

Die Erfahrung zeigt, dass die meisten Störungen drahtgebunden eingekoppelt werden. Die Störquellen sind zu klein, um wirksame Antennen zu enthalten. Deshalb sollte man vor allem ergründen, was wirklich alles zur Antenne gehört. Viele vergessen, dass der Antennenstrom ja irgendwo hin fließen muss. Sorgt man nicht für eine definierte Stromsenke, z.B. in Form eines zweiten Dipolastes oder von Radials an einer Groundplane, braucht man sich über Störungen durch die Schaltregler nicht zu wundern – trotz Mantelwellendrossel. Endgespeiste Antennen gibt es nur in wenigen Fällen wie der Fuchs-Antenne, die im Stromknoten sehr hochohmig gespeist wird. Eine Antenne mit 1:9-Balun gehört sicher nicht dazu. Wenn die Mantelwellendrossel ihren Job tut, lässt sich so manche Antenne nicht mehr anpassen.

Mantelwellendrosseln auf Koaxkabeln sollten unsymmetrische HF-Ströme von der Station fernzuhalten. Es kann aber auch symmetrische Störströme geben, etwa wenn man eine mehradrige Leitung an der Induktivität eines Schaltreglers vorbei führt und sich über das magnetische Streufeld Störungen einkoppelt. Dann hilft nur, Koaxkabel zu nutzen oder jede Ader einzeln zu entstören: Widerstand oder Drossel längs, um die Quelle hochohmig zu machen; dann Kondensator quer, um die Störungen abzublocken. Was hindert eigentlich daran, einen externen Funklautsprecher mit RG-174 anzuschließen?

Vor allem größere Gruppen von Solarmodulen geben hervorragende Dachkapazitäten ab, die mit der Ableitung auf überraschend niedrigen Frequenzen in Resonanz sein können. Meine beiden, 24-V-Module liefern maximal 3 A bei etwa 30 V. Da kann man vor dem Laderegler leicht handelsübliche Entstörfilter für 230 V~ einsetzen. Ein einzelnes 12-V-Modul mit 100 Wp liefert etwa 6 A bei 17 V. Da tut 1 V Spannungsabfall schon weh, wobei wir über 0,1 Ohm pro Richtung reden. Im Lang- bis Kurzwellenbereich kommt man mit Klappferriten nicht weit.

19-Zoll-Mechanik verwenden?

Gebrauchte 19-Zoll-Schränke kann man sehr preiswert bekommen, beispielsweise bei eBay. Ich bin aber von der Idee abgekommen, meine Notstromversorgung in 19-Zoll-Technik aufzubauen. Dabei schreckte mich weniger der höhere Gebrauchtmarkt-Preis, als das Format solcher USVs: Schon für eine 600-VA-USV muss der Schrank mindestens 50 cm tief sein. In höheren Leistungsklassen ist man bei wenigstens 80 cm Schranktiefe angekommen, die USV muss dabei auf Schienen montiert werden. Das sprengt endgültig den Rahmen.

Gelegentlich sieht man solche USVs nicht im Schrank, sondern senkrecht außen am Schrank montiert. Der muss dann immer noch ziemlich hoch und tief sein. In den typischen 19-Zoll-Schrank für Patchpanel und Switch (und ggf. einer komplette Relaisstation) kriegt man diese Technik kaum rein.

Zudem verwendet man in der Rechenzentrumstechnik häufig line-interactive USVs, die zusätzlich die normale Netzspannung stabilisieren und dafür deutlich Leistung verbrauchen. Hier im Speckgürtel einer Großstadt lagen meine Messungen immer zwischen 224 und 230 V. Eine einfache Offline-USV, die bei Bedarf innerhalb einer Netzspannungsperiode einschaltet, ist also völlig ausreichend. Bei einer automatischen Station oben am Berg mag das anders aussehen.