Um etwas Ordnung in der Werkstatt zu schaffen habe ich einen Aufbewahrungsbehälter für CR2032 und baugleiche Batterien dieser Art entwickelt. Da gibt es zwar schon ein paar, aber alle hatten das gleiche Manko. Die Batteriebehälter für die CR2032 müssen immer mit der richtigen Seite nach oben geöffnet werden, da sonst alles auf den Boden fällt. Mein Batteriebehälter für die CR2032 bieten eine sichere und saubere Aufbewahrung ohne das die Zellen herausfallen können. Dazu hat man immer den Überblick über die Anzahl der vorhandenen Batterien.

Es gibt den Behälter  in 2 Ausführungen, einmal für 10 und einmal für 22 Knopfzellen. Der Behälter besteht je aus einer Schublade und einer Hülle (Container) und ist sicher gegen Stöße und Abstürze. Die Batterien werden einfach eingeklickt und halten fest in ihrem Schubfach.

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Konstruktion Batteriebehälter CR2032

Der Behälter muss stabil und langlebig sein, aber trotzdem eine handliche Dimensionen haben. Zudem muss jede einzelne Batterie fest in ihrem Fach sitzen und dennoch leicht zu entnehmen sein. Dazu stellte sich mir auch die Frage wie viele Batterien der Batteriebehälter für die 2032 eigentlich beinhalten sollte. Die meisten Sets bestehen aus 5, 6, 8 oder 10 Stück, teilweise sogar aus 20 Stück. Auf jeden Fall musste der Container in meine Schreibtischschublade passen. Da ich mir nicht sicher war über die Anzahl der zu lagernden Batterien, entschied ich mich für zwei Varianten, eine mit 10 Stück und eine mit 22 Stück.

Die Konstruktion am CAD beginnt mit der Lade also dem Einschubteil und zwar das lange Teil für 22 Stück. Die Breite des Schachts hängt natürlich von der Breite der Batterie ab, die Batterie ist 3mm dick, um genau zu sein 2,95mm, und braucht genügend Luft zwischen den einzelnen Wänden. Es reicht für jede Seite ein Spalt von 0,15-0,2mm, um keine Reibung zu erzeugen. Wenn wir also alles zusammenzählen entsteht eine Schachtbreite von 3,3-3,4mm. Die Haltekraft die dafür sorgt, dass die Batterie nicht aus dem Schacht fällt erzeugen wir mit dem Kantentrick. Wir erstellen eine kreisrunde Tasche im Mittelpunkt des Einschubes mit einem größeren Durchmesser als die Batterie. Danach schneiden wir das Material über dem Mittelpunkt ca. 1 bis 3 mm ab, so entsteht eine Kante. Diese Kante muss im absoluten Längenmaß etwas kleiner als der Durchmesser der Batterie sein (In diesem Fall kleiner als 20mm). Wenn man nun die Batterie in den Schacht schiebt muss sie die Kante überwinden, was durch die Elastizität des Materials auch möglich ist.

Nun sitzt die Batterie im Schacht und kann nicht mit ihrem Eigengewicht die Kante in die andere Richtung überwinden. Dieses Prinzip ist eigentlich recht simpe, mit dem nötigen Wissen über Material, Fertigungstoleranzen, Kräfte und Haltemomente. Am Ende war es eine Mischung aus Erfahrung und einigen Probedrucken, bis das optimale Ergebnis erreicht wurde. Jetzt passt die Batterie sauber in den Schacht und hält perfekt. Und mit sanftem Druck lässt sich die Batterie auch wieder aus dem Schacht entfernen.

Das nächste Ziel war es den Einschub so zu konstruieren, dass dieser in die Hülle sicher hält. Das ist ebenfalls ein Zusammenspiel aus Materialelastizität und dem richtigen Durchmesser am Bund, der die Konstruktion zusammenhält. Nach ein paar Probedrücken war ich zufrieden.

Die Hülle des Batteriebheälters CR2032 ist schnell konstruiert. Im Grunde ist es ein Zylinder mit Boden. Der Innendurchmesser wurde an das Einschubmaß angepasst um die Verriegelung zu gewährleisten und die Bohrung im Hülsenboden dient der Entlüftung, denn wenn der Einschub in die Hülse geschoben wird muss die Luft entweichen können.

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• Batteriebehälter CR2032

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Liste der Bauteile:

• 2 x Hohlbuchse 5,5 x 2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 12
• 1 x Modul XL6009
• 1 x Mini Voltmeter  DSN – DVM – 368
• 7 x Jumperkabel

Umsetzung

Grundsätzlich unterscheidet sich der XL6009 vom LM2587S lediglich in der Stromstärke. Der XL6009 liefert eine Ausgangsspannung von 5V-35V und eine Eingangsspannung von 3V-32V bei 2,5A Ausgangsstrom. Um mit 3A Ausgangsstrom zu arbeiten muss der XL6009 mit einem Kühlkörper betrieben werden. Meine Wahl fiehl in erster Linie auf Grund der kleinen Abmessungen und wegen des günstigen Preises auf das Modul. Da die Kapazität des LiPi Akkus beschränkt ist, braucht man keinen zu großen  Step-up einbauen.

Konstruktion

Das Battery shield V3 wurde hier bereits ausführlich analysiert. Daher kann direkt mit der Konstruktion des Gehäuses begonnen werden. Als Grundlage dient das Gehäuse der letzten Powerbank, da die Aufnahme für das Battery shield V3 schon inkludiert ist. Es müssen jetzt die beiden Hohlbuchsen,der XL6009 und das Mini Voltmeter integriert werden.  Für die Hohlbuchse am XL6009 Ausgang scheint genügend Platz um über dem USB Micro Eingang vertikal zu platzieren.

Für dieses Vorhaben muss lediglich die Höhe des Gehäuses vergrößert werden. Die Erhöhung hilft außerdem um die zweite Hohlbuchse im Deckel an der Vorderseite zu fixieren. Die Position der Hohlbuchse mit einer Montagebrücke ist ebenfalls vertikal angeordnet. Die Hohlbuchse für den Ausgang des XL6009 wird von außen verschraubt. Die Hohlbuchse für den 3V Ausgang von Innen. Dies ist wichtig, da zwei unterschiedliche Hohlbuchsen Halterbrücken benötigt werden. Zum leichteren Verständnis dient die folgende Illustration:

Für das XL6009 Modul habe ich ein neues Bauteil hinzugefügt. Es ist ein Halter, der an der Innenwand des Gehäuses befestigt wird. So kann das Modul von außen fest verschraubt werden. Nachteilig ist die Tatsache, dass der Halter mit Modul den LiPo verdeckt und beim Wechseln des LiPo Akkus zuerst der Step-up entfernt werden muss. Idealerweise wird der Akku aber nur selten gewechselt.

Der Deckel wurde gegenüber der einfachen Powerbank etwas erhöht und der ein oder andere Quer Steg entfernt. Dadurch entstand Platz für das Mini-Voltmeter. Um den XL6009 einstellen zu können ohne den Deckel zu entfernen, wurde noch eine Bohrung im Deckel benötigt.

Um die Bohrung möglichst ideal zu setzen, hilft es mir das Gehäuse zunächst real zusammen zu bauen. So kann man die Position des XL6009 Moduls auf dem Halter noch etwas verschieben da das Modul eine 3mm Bohrungen besitzt und die Befestigungsschrauben mit M2 ein wenig Platz lassen.

Um den XL6009 ein- und ausschalten zu können, war noch ein Schalter notwendig. Hier habe ich mich für einen gewöhnlichen Kippschalter entschieden. Im Ganzen bin ich zufrieden, da das Gehäuse gegenüber der anderen Powerbank um lediglich 12mm höher geworden ist und die Abmessungen in Breite und Länge gleichgeblieben sind.

Schritt für Schritt Zusammenbau

Zweck der Powerbank

Die Powerbank kann natürlich wie jede andere Powerbank über den USB A, Smartphones und Headsets aufladen. Über den 3V Ausgang kann man übliche Taschenlampen oder elektronisch Module betreiben. Zudem kann der regelbare Spannungsausgang eine Spanne von 6V bis 30V abdecken. Es gibt viele Geräte die mit 6V, 9V und 12V betrieben werden z.B. LED, Radio usw..

Ich habe den obersten Spannungswert bis 30V angeben, aber das XL6009 Modul könnte mindestens 35V. Allerdings ist das verwendete Mini-Voltmeter nur bis 30V zugelassen. Ein weiterer Grund wäre das Battery Shield V3 selbst. Für das Shield wird zwar der Ausgang mit 5V und 3A beschrieben, die Wirklichkeit liegt aber darunter. Die Ursache liegt am internen Spannungswandler der die LiPo-Spannung auf 5V bringt.

Die nachfolgende Tabelle enthält Messwerte die das Verhältnis (ohne internen Spannungswandler) zwischen Anstieg des Amperewertes am Eingang und dem Voltwert am Ausgang zeigt:

Man sollte nicht vergessen, dass bei batteriebetriebenen Spannungswandelern zusätzlich der Spannungsabfall bei der Entladung hinzu kommt. Sicherheitshalber habe ich in dieser Powerbank noch eine Pico Sicherung mit 2A eingebaut. Anbei eine Tabelle mit Ampere Werten, die bei angebener Voltzahl nicht vom Verbraucher überschritten werden sollten:

Dateien zum Herunterladen

• Gehäuse für die Powerbank mit dem XL6009
• Gehäuse der Powerbank LM2596

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Die Taschenlampe konnte man nicht ordentlich positionieren und sie blendete. Aus diesem Grund kam mir die Idee eine eigene blendfreie Lampe zu entwickeln, die man einfach auf das Heizbett stellen kann und nicht blendet. Am besten kabellos mit einer Powerbank. Ich hatte bereits eine eigene Powerbank mit dem Battery Shield V3 gebaut, welche ich dieses Mal als Basis genutzt habe.

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Liste der Komponenten

• 1 x Hohlbuchse 5,5×2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 20
• 17 x 5V SMD2835 LED Streifen
• 5 x Jumperkabel

Wahl der LED

Da das Grundgehäuse der Powerbank mit dem Battery shield V3 bereits fertig war, musste ich mir hauptsächlich Gedanken über die Beleuchtung machen. Als Leuchtmittel sollten LEDs mit 5V oder 3V genutzt werden, da das Battery shield V3 entweder 5V oder 3V bereitstellt. Für meine Zwecke reicht ein geringerer Lumen Wert. Nach kurzer Recherche fand ich passende LED-Strips.

Die Lichttemperatur meines LED Streifens beträgt 6500K auch kaltweiß genannt. Dieses Licht beinhaltet sehr viel Blauanteil, wodurch sich gut arbeiten lässt und Details schnell sichtbar werden. Da das Battery shield V3 drei zusätzliche 5V und einen USB A Ausgang besitzt, ist die Versorgung der LEDs kein Problem. 

Bei den LEDs für die blendfreie Lampe handelt es sich um SMD2835. Diese sind 2,5 mm breit und 3,5 mm lang und haben eine etwas geringere Leuchtkraft als ein SMD5050. Wieviel die LEDs verbrauchen ist entscheidend für die Leuchtdauer der Lampe, da die Energiezufuhr über den Akku beschränkt ist.  

Konstruktion des Deckels und Zwischendeckels

Wie bereits im vorherigem Abschnitt erwähnt wird das Grundgehäuse der Powerbank nicht verändert. Die LEDs werden stattdessen auf einen Zwischendeckel aufgeklebt. Der Zwischendeckel dient auch als Träger der Hohlbuchse für den 3V Ausgang. Weiterhin wurde ein Durchbruch kontruiert um die Kabel vom Ein-Aus-Schalter durchzuführen. Die schrägen Öffnungen des Zwischendeckels sollen helfen bei Bedarf nachträglich noch von hinten Kleber an den LED Streifen anzubringen.

Bei der Oberseite (dem Deckel, wo das Licht durchscheint) wurde es ein wenig komplexer. Einerseits soll genügend Licht durchscheinen, andererseits darf es nicht blenden! Natürlich wäre ein glasklarer Deckel für die Lichtausbeute ideal, doch wie gesagt, dann würde es womöglich blenden. Um einen Ausgleich zu schaffen zwischen effektiver Lichtausbeute und Blendfreiheit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Materialauswahl (Filament)
• Abstand zum Leuchtmittel
• Stärke der Scheibe
• Druckstrategie

Bei der Materialauswahl für die blendfreie Lampe fiel die Wahl auf „Elfenbein“. Der Abstand zum Leuchtmittel beträgt 10,5 mm und die Scheibendicke (Materialstärke) 1 mm. Die Schichthöhe beträgt 0,25 mm, sprich bei einem Millimeter ergibt das vier Schichten, wobei die erste Schicht 45° nach links und die zweite Schicht 45° nach rechts aufgetragen wird. Durch die verschiedenen Richtungen der Schichten wird das Licht immer wieder gebrochen und blendfrei. Es handelt sich dabei um eine subjektive Wahrnehmung und die Bezeichnung blendfrei gilt daher nicht für alle Menschen.

Zusammenbau

• Verlöten der Teile mit den Jumperkabeln:

• Schneiden und ankleben der LED Streifen: Der LED Streifen wird in zweimal 6 LEDs und einmal 5 LEDs getrennt und auf den Zwischendeckel geklebt. Der Kabeldurchbruch am Deckel für den Stecker muss frei bleiben:

• Anbringen der Hohlbuchse am Zwischendeckel:

• Einschrauben des Battery shield in das Gehäuse nachdem die zehn Gewinde zuvor in das Gehäuse geschnitten worden sind.

• Wippschalter in den Deckel eindrücken:

• LiPo 18650 in die Aufnahme drücken

• Kabel verbinden und einschalten:

• Falls alle LED’s leuchten, Zwischendeckel auf Gehäuse stecken und danach den Deckel auf den Zwischendeckel stecken und verschrauben:

Blendfreie Lampe CAD Design

Für die Gewinde sind die Bohrungen auf Kernlochdurchmesser konstruiert, d.h. bei M2 auf den Durchmesser 1,6 mm. Man kann das Gewinde mit dem Gewindebohrer schneiden oder mit einer Schraube formen (eindrücken). Ich persönlich bevorzuge das Gewindeschneiden. Wo an dem Gehäuse die Gewinde geschnitten werden müssen zeigen die beiden Grafiken.

Weitere Anmerkungen

Mancher wird sich fragen, warum der Wippschalter aus dem Deckel ragt und nicht versenkt wurde. Die Lampe lässt sich dadurch besser ein- und ausschalten.  Meistens hat man nur eine Hand frei und kann nicht richtig in die Versenkung greifen, wenn der Wippschalter aber hervorsteht ist es leichter ihn zu bedienen. Trotzdem habe ich auch eine Variante mit versenktem Wippschalter konstruiert, die man im Download-Bereich herunterladen kann!

Die Leistung der Lampe liegt bei ca. 1,4 Watt. Bei 5,05 V beträgt die Stromstärke daher 0,27 A, was kein Problem  für das Battery Shield V3 und den LiPo darstellt. Die Leuchtdauer der Lampe beträgt ca. 5 Stunden im Dauerbetrieb. Für diese Daten habe ich einen Samsung 18650 mit 3500 mAh verwendet. Die Powerbank kann parallel zum Betrieb der Lampe genutzt werden. Die gesamte Stromstärke sollte allerdings nicht über 3A liegen.

Ich benutze diese Lampe nicht nur für meinen 3D Drucker, sondern auch beim Löten, lesen oder als Nachtlicht. Die Powerbank ist zudem extrem leicht mit 127g.

Datei zum Herunterladen

• STL Dateien der blendfreien Lampe

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Liste der Bauteile:

• 1x Battery Shield V3
• 6x Linsenkopfschrauben M2x8
• 1x Hohlstecker 5,5×2,1
• 6x Flachkopfschraube M2x6
• 1x LiPo Akku 18650

Untersuchung des Battery Shield V3

Nachdem das Battery Shield V3 bei mir angekommen war musste ich als erstes die Eigenschaften genau untersuchen.  Die Tests habe ich mir vorher überlegt und orientieren sich in erster Linie an meine Anwendungsfälle. Da ich natürlich kein Prüfinstitut bin habe ich die Tests so einfach wie möglich gehalten.

Zunächst habe ich die Hauptfunktion, das Aufladen eines LiPo Akkus, getestet. Der Ladevorgang am Modul wird mit Hilfe einer LED signalisiert. Rot bedeutet, dass der Akku aufgeladen wird und Grün bedeutet, dass der Ladevorgang beendet ist. Leider befinden sich die LEDs auf der Unterseite des Moduls und sind nicht gut sichtbar.

Laut den Angaben des Herstellers bzw. des online Händlers beträgt die Ladespannung 4,2 V und der Ladestrom 500 mA. Um diese Werte zu überprüfen, habe ich den Ladezustand des eingesetzten Akkus gemessen und notiert. Der Ladezustand war ungefähr bei 1100 mAh. Die gesamte Kapazität des Akkus beträgt 3000 mAh. Daraus folgt, dass die Differenz zwischen vollständig geladen und teilgeladen 1900 mAh beträgt. Um die vorraussichtliche Ladedauer zu erhalten, wird dieser Wert durch die vom Hersteller angegebenen 500 mA geteilt. Die berechnete Ladedauer ergab somit 4 h. Als Netzteil wird ein Standard Netzteil mit 5V und 1A Ladestrom verwendet. In der Realität betrug die Dauer des Ladens 4 h und 15 min. Das ist nahe an der Theorie und somit in Ordnung. 

Bitte beachten: Für diesen Test nie einen ganz neuen LiPo Akku verwenden, sondern einen der schon einige Ladezyklen hinter sich hat. Ansonsten ist das Ergebnis nicht sehr aussagekräftig. 

Untersuchung der Modul Spannungen

Im zweiten Test wurden die unterschiedlichen Spannungen untersucht, welche das Modul zur Verfügung stellt. Diesen Test habe ich in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase (Bild Test 2_1) wird das Modul ohne LiPo Akku verwendet. Anschließend wird in der zweiten Phase ein LiPo Akku eingesetzt.

Wichtig ist hierbei natürlich die richtige Auswahl der Verbraucher, um den Test so realitätsnah wie möglich durchzuführen. Für den USB-A Anschluss habe ich sowohl einen Lastwiderstand mit 1 A als auch mit 2 A ausgewählt. Dieser keramische Lastwiderstand ist ideal, da eine USB Schnittstelle vorhanden ist und die LED grün leuchtet wenn 5 Watt verbraucht werden. Bei 10 Watt leuchtet die LED rot.

Für die 3 x 5 V Ausgänge habe ich an zwei Ausgängen 5V LED Streifen gelötet und am dritten 5V Ausgang hängt ein von mir konstruiertes Step-Down Modul LM2596S, das auf 2V eingestellt ist, um eine 10 mm RGB Led zu versorgen. An die 3 x 3 V Ausgängen wurden jeweils 3 V LEDs gelötet. Für diesen Test wurde ein 5 V (18 Watt) Netzteil verwendet.

Das Modul im Netzbetrieb ohne LiPo Akku

Es passierte eigentlich nach dem Anschließen der Verbraucher und den Netzteil nicht sonderlich viel. Es leuchtete nur die modulinterne LED rot. Erst als ich den Keramik-Lastwiderstand deaktiviert habe leuchtete einer der 5 V LED Streifen und die mit dem Step-Down verbundene RGB Diode (Gelb markiert in Bild Test2_1).

Bei der anschließenden Messung der Ausgänge wurden folgende Werte festgestellt: Bei den 5 V Ausgängen wurde eine Spannung von 3,24 V gemessen und bei den 3 V Ausgängen 2,28 V. Die gesamte Strombereitstellung des Moduls ohne eingesetzten LiPo Akku liegt bei ca. 11 mA. Das sollte für eine kleine LED ausreichen.

Das Modul mit LiPo Akku

Für die Phase 2 wurden alle Verbraucher entfernt und ein LiPo Akku (SAMSUNG INR18650-35E SDI KL59) in das Modul eingesetzt. Wie auf den Bildern zu erkennen ist wurden Steckverbindungen angebracht. Das liegt daran, dass dieses Modul keinen Schalter für den LiPo Akku besitzt und somit die Last sofort auf den LiPo Akku angelegt wird. Es ist einfach unangenehm einen Akku oder jegliche Batterie unter Last einzulegen bzw. einzustecken.

Alle Verbraucher sind in Phase 2 im Vollmodus und funktionieren einwandfrei. Zusätzlich wird sogar noch der LiPo Akku aufgeladen. Zweifel sind an den 5 V Ausgängen bezüglich der Ampereangaben (4 A) angebracht. Angesichts der Ampere Zahlen des LiPo Akkus ist das zwar möglich, aber es erscheint mir sehr hoch für eine USB Micro Versorgung. Meine Empfehlung ist das Modul mit weniger als 4 Ampere zu beanspruchen.

Tiefenentladeschutz

Der dritte und letzte Test ist eher trivial. Um den Tiefenentladeschutz zu prüfen wurde nur der Keramik Lastwiderstand mit 5 Watt aktiviert und keine Netzversorgung angeschlossen. Dadurch wird der LiPo Akku entladen und wenn der Tiefenentladeschutz des Moduls den Entladeprozess eigenständig beendet ist der Test erfolgreich. Das war der Fall. Es war genügend Restkapazität vorhanden. Allerdings sollten solche Stresssituationen für den LiPo Akku trotzdem vermieden werden. 

Gehäuse für das Battery Shield V3

Natürlich konnte ich es nicht lassen noch ein Gehäuse für das Battery Shield V3 Modul zu konstruieren. Neben dem normalen 5 V USB Ausgang, der über einen extra Schalter ein- und ausgeschalten werden kann, habe ich zusätzlich noch einen konstanten 3V Ausgang mit einer 5,5 x 2,1 Buchse  in das Gehäuse konstruiert.

Das Gehäuse kann am Ende des Blogbeitrags im STL-Format heruntergeladen werden.

Kleiner Nachteil

Der On/OFF Schalter schaltet nur den USB Port. Die 3 x 3 V und 3 x 5 V Lötstellen können nicht über diesen Schalter ein und ausgeschaltet werden.

Für meine Elektronik Projekte ist dieser Nachteil nicht wirklich dramatisch, da ich in erster Linie den USB Port nutze. Außerdem können an die Lötstellen auch zusätzliche Schalter eingelötet werden.

Dateien zum Herunterladen:

• Datenblatt Battery Shield V3 (von AZ Delivery)
• 3D Druck Gehäuse

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