Zu einer besonderen Ausstattung im Cacheversteck gehört auf jeden Fall eine elektrische Beleuchtung. Die fortgeschrittenen Elektroniker werden hierbei ihre Präferenz zur ihrer eigenen Beleuchtungstechnik haben. Dieser Beitrag richtet sich in erster Linie an Cachekonstrukteure, die etwas weniger Erfahrung mit Elektronik haben. Inzwischen gibt es im LED-Bereich so viele fertige Leuchten, dass deren Einsatz kein Hexenwerk mehr darstellt.

Lichtfarbe

Neben den farbigen RGB-LEDs gibt es auch die weißen LEDs. Dabei hat man meisten die Wahl zwischen Warmweiß, Neutralweiß und Kaltweiß. Je nach Innenausbau, Stimmung und Thema des Caches kann man hier seine richtige Lichtfarbe wählen. Möchte man es gemütlicher und harmonischer, verwendet man warmweiße LEDs. Möchte man es technischer, brillanter oder kühler so verwendet man die LEDs in einer neutralen oder kaltweißen Lichtfarbe.

Flächige Beleuchtung

Am einfachsten und günstigsten lasst sich flächiges Licht mit LED-Streifen realisieren. Typische Spannung für diese Streifen sind 12V, was für Batteriebetrieb etwas mehr Batterien erfordert. Die weißen LED-Streifen kann man aber in Bereich von 9V bis 12V betreiben. Wir tendieren eher dazu, sie mit weniger Spannung zu betreiben und dafür mehr Streifen einzubauen, da so die Effizienz höher ist. Zum Beispiel kann man mit drei 3,6V Akkus (= 10,8V) problemlos einen 12V Streifen versorgen. Dabei ist der Stromverbrauch nur ca. halb so hoch wie bei 12V, die Lichtausbeute liegt aber für das Auge bei ca. 75%. Dies funktioniert aber nur bei weißen LED-Streifen, bei RGB-Streifen wird der Unterschied zu extrem. Wenn man die volle Lichtleistung haben möchte, kann man entweder mehr Batterien einbauen oder DC/DC-Wandler benutzen, welche die Spannung auf einen beliebigen Wert hochwandeln können.

Für eine hohe Langlebigkeit sollte man die Streifen natürlich vor Nässe und mechanischer Beanspruchung schützen. Dabei kann man sie z.B. in eine Platte versenken, in einen Aluminiumkanal einbauen oder einfach eingegossene Outdoor LED-Streifen verwenden.

Punktuelle Beleuchtung

Es gibt inzwischen viele LED-Strahler, welche für den Einsatz in Möbel oder Decken gedacht sind. Die Standardgröße der Leuchten ist hierbei 50 mm, was aber für die meisten Cachekonstruktionen zu groß ist. Wer aber ein bisschen sucht, findet recht schnell auch kleinere Module. Diese gibt es zum Einbau (in der Platte versenkt) oder als Strahler (auf der Platte montiert und meiste dreh und schwenkbar) im Leistungsbereich zwischen 0,5 und 2 Watt. Hier gibt es auch viele 12V-Systeme, welche nun wieder viele Batterien benötigen. Eine Alternative dazu sind Ministrahler mit einem externen Vorschaltgerät für 230V. Die vom Vorschaltgerät bereitgestellte Spannung liegt aber meist zwischen 3,5 und 7V. Diese Spannung sollte man als erstes im Betrieb messen (nicht ohne angeschlossene Leuchte). Anschließend kann man etwas mit Batteriespannung und Vorwiderständen herumspielen, bis man die richtige Lichtstärke bei möglichst geringer Batteriespannung gefunden hat. Der Vorwiderstand muss in Reihe zur LED geschalten sein, das heißt man trennt entweder das Plus oder Minuskabel auf und setzt dort den Widerstand dazwischen. Typische Werte für solche Widerstände sind 47 Ohm, 68 Ohm, 100 Ohm oder 150 Ohm. Wird der Widerstand im Betrieb zu warm, wählt man eine größere Bauform (z.B. 2-Watt-Widerstand oder 5-Watt-Widerstand). Ohne Widerstand darf man solche LEDs nicht betreiben, da kleine Unterschiede in der Spannung eine große Erhöhung des Stroms darstellen. Der Widerstand gleicht dieses Verhältnis etwas aus und sorgt für konstantere LED-Versorgung.

Normalerweise hat man beim Bau von Elektroniken andere Sachen im Kopf, als sich um den richtigen Batteriehalter zu kümmern. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass Batteriehalter oft eine große Schwachstelle sind und sehr häufig zu Kontaktproblemen führen. Das merkt man spätestens dann, wenn man bei einer Wartungsrunde die vermeintlich leeren Batterien durch hin und herdrehen im Batteriehalter wieder zum Laufen bringt. Obwohl brauchbare Batteriehalter leider etwas kostspieliger sind, so raten wir sehr von den Standardteilen mit Spiralfeder ab. Prinzipiell empfehlen wir im Cachebau nur die letzten beiden Typen:

Batteriehalter mit Spiralfeder

Wie schon erwähnt sind diese Batteriehalter sehr anfällig gegenüber Bewegung und Feuchtigkeit. Der Kontakt zwischen Batterie und Feder kann in manchen Fällen ziemlich schlecht sein und schon bei kleinsten Bewegungen den Stromfluss unterbrechen, was z.B. bei Mikrocontrollern schon zum Reset führt. Außerdem ist das Kunststoffgehäuse bei den größeren Haltern ziemlich dünn. Bei C- oder D-Zellen kann es daher sein, dass das Gehäuse schon beim Einlegen der Batterie verbiegt.

Batteriehalter mit Blattfeder bzw. Federblech

Diese Batteriehalter sind schon um einiges robuster und bieten deutlich besseren Kontakt zwischen Batterie und Feder. Man sollte sie nur beim Wechseln der Batterien immer etwas nachbiegen. Leider findet man diese Batteriehalter fast nur für einzelne oder doppelte Batterien und nicht in den durchverbundenen 3- oder 4-fach Halter. Für AA-Batterien gibt es z.B. eine Version mit Löchern zum Anschrauben und eine Version ohne Löcher, dafür mit zusätzlichen Halteklammen, die die Batterie vor dem Herausfallen sichern. Ein Beispiel für einen AA-Batteriehalter findet man hier.

Batteriehalter aus Aluminium

Das klingt im ersten Moment etwas verwirrend, aber die Kontakte sind zum Gehäuse gut isoliert. Die Kontaktplatten werden flächiger auf die Batterie gedrückt und haben so einen geringen Übergangswiderstand. Außerdem wird die Batterie zusätzlich noch mit zwei Federblechen festgehalten, damit sie sich nicht verdrehen oder rausfallen kann. Diese Variante ist natürlich die teuerste aber vermutlich auch die stabilste und sicherste. Hier ein Beispiel für einen Doppel AA-Batteriehalter.

 

 

Ergänzend zu dem Beitrag über Stromversorgung gibt es hier einen Überblick über etwas speziellere nicht-wiederaufladbare Batterietypen. Dazu gehören u.A. Knopfzellen und diverse Zwischengrößen der bekannten Bauformen.

Die hier genannten Batterien sind für Anwendungen mit wenig Stromverbrauch gedacht und/oder wenn eine bestimmte Baugröße benötigt wird, da sie im Verhältnis relativ teuer sind. Dabei gibts es bei den spezielleren Batterien vier Technologien, bei denen eine gute Auswahl und Verfügbarkeit gegeben ist:

 

	1,5V Alkaline Knopfzellen Alkali-Mangan	1,55V Silberoxid Knopfzellen Silberoxid-Zink	3,0V Lithiumbatterien Lithium-Mangandioxid	3,6V Lithiumbatterien Lithium-Thionylchlorid
Typenbezeichnung bei Knopfzellengrößen	LR	SR	CR	–
Selbstentladung pro Jahr bei 20°	6 %	2 – 6 %	1 – 2 %	1 – 2 %
Energiedichte1 (mWh/mm²)	0,95 – 1,2	1,2 – 1,4	1,7 – 2,1	2,1 – 2,5 bei Knopfzellen 2,9 – 3,8 bei normalen Größen
Temperaturbereich2	Mittel	Niedrig	Hoch	Sehr Hoch
Preis	Niedrig	Mittel	Mittel	Hoch bis sehr Hoch

1) Die Energiedichte ist hierbei auf die kompletten Abmessungen gerechnet, daher ist diese generell bei kleineren Größen schlechter.

2) Beim Temperaturbereich haben wir versucht, viele verschiedene Typen und Hersteller zu vergleichen und haben dort erhebliche Unterschiede festgestellt. Prinzipiell kann man aber sagen, dass Lithiumbatterien den größeren Bereich (vor allem in den Minusgraden) abdecken. 

 

Alkaline + Silberoxid Knopfzellen

Da diese beiden Typen ähnliche Spannungen haben, sind sie kompatibel zueinander. Wie in der Übersicht dargestellt, haben Silberoxid Knopfzellen durchschnittlich mehr Nennladung (mAh). Bei Silberoxid Knopfzellen wird aber oft nur ein Temperaturbereich bis 0° angegeben. Ob und wie weit der Betrieb unter 0° sich auf die Haltbarkeit auswirkt, muss man am besten selbst testen. Auch ob der höhere Preis in Relation zur Langlebigkeit bei Temperaturunterschieden steht, haben wir bisher noch nicht herausfinden können.

Hier eine Tabelle einiger typischer Knopfzellengrößen. Die erste Buchstabe in der Typenbezeichnung steht für Alkaline (=L) oder Silberoxid (=S). Das nachfolgende R plus die Zahl gibt die Abmessungen der Knopfzelle, anhand dieser Tabelle an:

	Durchmesser (mm)	Höhe (mm)
R41	7,9	3,6
R43	11,6	4,3
R44	11,6	5,4
R45	9,5	3,6
R48	7,9	5,4
R54	11,6	3,1
R55	11,6	2,1
R59	7,9	2,6
R60	6,8	2,1
R63	5,8	2,1
R66	6,8	2,6
R69	9,5	2,1

 

3,0V Lithiumbatterien

Neben den Alkaline Knopfzellen sind diese am verbreitetsten. Wenn man Elektroniken mit 3V Versorgungsspannung hat, empfiehlt sich in jedem Fall eine Lithium- statt zwei Alkalineknopfzellen zu verwenden, da es preislich kein großer Unterschied ist und man nun die Vorteile einer Lithiumbatterie hat: Geringe Selbstentladung, höhere Energiedichte, höherer Temperaturbereich.

Bei den Abmessungen gibt es generell zwei Gruppen:

• CR-Bezeichnung (Knopfzellen): Die vierstellige Zahl hinter dem CR gibt den Durchmesser und die Höhe an. Dabei sind die ersten beiden Ziffern der Durchmesser in Millimeter und die letzten beiden Ziffern die Höhe/10 in Millimeter. Beispiel: CR2450 hat 24 mm Durchmesser und 5 mm Höhe.
• Teilungen der Standardgrößen: Die Abmessungen hier sind wie bei einer Standardbatteriegröße (AA, AAA oder C) nur in der Höhe geteilt. Beispiel: 1/2 AA hat 15 mm Durchmesser wie eine normale AA-Batterie und 25 mm Höhe, was die Hälfte der Höhe einer normalen AA-Batterie entspricht.

Dabei werden die Lithiumbatterien entweder mit normaler Ausführung für Batteriehalter oder mit Lötpins angeboten.

 

3,6V Lithiumbatterien

Die wohl teuerste Stromversorgung ist die mit der 3,6V Lithiumbatterie. Wer eine sparsame 3,3V Elektronik versorgen will und 6-10 Jahre keine Lust auf eine Wartung hat, für den ist diese Batterie genau das Richtige. Zum Beispiel kostet eine Batterie in AA-Größe zwischen 6 und 10 € und hat zwischen 2000 und 3000 mAh. Zum Vergleich: Zwei AA-Batterien vom Aldi kosten 0,40 € und haben 2100 mAh. Der einzig sinnvolle Einsatzzweck ist unserer Meinung nach bei Schaltungen die nur mit 3,3V laufen und so wenig Stromverbrauch haben, dass sie jahrelang laufen können. Die Abmessungen hier sind wieder Standard- oder Teilungsgrößen wie 2/3 AA, C oder 1/10 D.

Ein großes Thema bei Elekroniken im Cachebau ist die Stromversorgung. Dieser Artikel beschreibt in erster Linie die eigenständige dauerhafte Stromversorgung für Elektroniken und nicht die Stages, die mit mitgebrachten Batterien versorgt werden. Das Ziel sollte immer sein, dass man so wenig Wartungsaufwand wie möglich mit seinen Elektroniken hat. Neben einer stromsparenden Elektronik, spielt auch die Wahl der richtigen Stromversorgung eine große Rolle. Viele Cache-Konstrukteure verbauen ausschließlich Akkus und haben vielleicht sogar ein einheitliches Akkusystem. Andere belassen es bei normalen Alkaline Batterien, wie AA, AAA oder 9V-Blöcken. Da alle Systeme ihre Vor- und Nachteile haben, finden wir die folgende Vorgehensweise am sinnvollsten:

1. Richtige Spannung wählen

Als erstes muss man wissen, welche Spannung bzw. welche Spannungen in der Elektronik gebraucht werden. Wir empfehlen schon bei der Planung oder Auswahl der Elektronik eine möglichst niedrige Spannung zu wählen, falls möglich. Oftmals werden sogar mehrere verschiedene Spannungen gebraucht, was natürlich in der Planung berücksichtigt werden muss. Hier mal die Spannungsschritte der gängigen Batterien und Akkus:

Alkaline Batterien = 1,5V
Lithium-Mangandioxid-Batterien = 3,0V (siehe Beitrag: Spezialbatterien)
Lithium-Thionylchlorid-Batterien = 3,6V (siehe Beitrag: Spezialbatterien)
Nickel-Metallhydrid-Akkus = 1,2V 
Lithium-Ionen-Akkus = 3,6V
Blei Akkus = 6V bzw. 12V

Muss man also z.B. ein Soundmodul versorgen, welches mit 4,5V bis 5V funktioniert, kann man entweder 3x Alkaline oder 4x Ni-MH Akkus verwenden.
Braucht man z.B. 3V für eine Funkelektronik und 4,5V für Soundmodul, so bleibt eigentlich nur noch die Variante mit 3x Alkaline mit einem zusätzlichen 3V-Abgriff übrig.

Wenn es nicht möglich ist, die geforderte Spannung bereitzustellen, kann man natürlich auch DC/DC-Wandler oder Längsregler verwenden. Allerdings steigt dann der Standby-Stromverbrauch massiv an und die Akku- oder Batterielaufzeit wird erheblich verringert.

2. Richtige Bauform wählen

Je nach verfügbarem Platz, bietet es sich natürlich immer an, eine größere Batterie/Akku zu verwenden. Je größer die Batterie bzw. der Akku desto mehr Ladung bzw. Kapazität hat sie. Eine große Fehlerquelle sind hierbei die Batteriehalter – hierzu gibt es einen ergänzenden Beitrag Batteriehalter. Besteht die Möglichkeit, die Elektronik für Wartungszwecke mitzunehmen, so gibt es auch einige Akkutypen, die man fest verlöten kann. Hier wieder eine Übersicht der verschiedenen Typen:

	Bauformen	Verfügbar mit Lötfahne	Verfügbar als Knopfzelle
Alkaline Batterien	AA-Batterie, AAA-Batterie, C-Zelle, D-Zelle, 9V-Block	Nein	Ja
Ni-MH Akkus	Gleiche Größen wie Alkaline, diverse Teilungen von Alkaline Batterien, wie z.b. 1/2 AA	Ja	Ja
Li-Ion Akkus	z.B. 18650, 14500, 26650	Ja	Ja
Blei Akkus	diverse quaderförmige Größen mit Flachsteckeranschluss	Ja	Nein

Je nach Stromverbrauch und benötigter Leistung kann man natürlich auch Knopfzellen als Versorgung nehmen, siehe Beitrag Stromversorgung: Spezialbatterien. Man sollte aber bedenken, dass man bei Knopfzellen ein sehr viel schlechteres Preis/Leistungs-Verhältnis hat. Wir würden sie daher nur einsetzen, wenn man auf eine kompakte bzw. dünne Bauweise angewiesen ist.

3. Wartungsaufwand

Hat man etwas Spielraum im Spannungsbereich, stellt sich für viele die grundlegende Frage: Akku oder Batterie?

Im Folgenden mal ein kleines Rechenbeispiel mit einem 4,5V Alkaline AA-Batterieblock verglichen mit verschiedenen Akkus. Bei den Ni-MH Akkus gibt es wiederum zwei verschiedene Typen. Die einen habe eine höhere Kapazität, dafür aber auch eine hohe Selbstentladung. Die anderen haben weniger Kapazität und werden oft mit „geringer Selbstentladung“, „minimale Selbstentladung“ oder auch „LSD-Ni-MH“ betitelt. Im Vergleich also jeweils ein 4,8V AA Ni-MH Akkublock in den zwei Ausführungen und dazu noch ein klassischer 18650 3,6V Lithium-Ionen-Akku. Durchschnittlicher Stromverbrauch der Elektronik ist 0,2 mA.

Alkaline

Typische Kapazität 2100 mAh, Preis (Aldi) 0,20 €, Selbstentladung 6% pro Jahr
Stromverbrauch pro Tag = 0,2 mA * 24h = 4,8 mAh
Anzahl der Tage = 2100 mAh / 4,8 mAh = 438 Tage
Selbstentladung = 94% * 2100 mAh = 1974 mAh
Anzahl der Tage mit Selbstentladung = 1974 mAh / 4,8 mAh = 411 Tage = ca 13-14 Monate

Ni-MH (hohe Kapazität)

Typische Kapazität 2700 mAh (Emmerich), Preis 3,75 €, Selbstentladung 25% pro Monat
Stromverbrauch pro Tag = 4,8 mAh
Stromverbrauch pro Monat = 144 mAh
Restladung nach 4 Monaten = 2700 * 75%^(4) = 854 mAh
Restladung nach 4,5 Monaten = 2700 * 75%^(4,5) = 740 mAh
Restladung nach 5 Monaten = 2700 * 75%^(5) = 641 mAh
Stromverbrauch nach 5 Monaten = 720 mAh -> der Akku ist nach etwas mehr als 4,5 Monaten leer

Ni-MH (geringe Selbstentladung)

Typische Kapazität 1900 mAh (eneloop), Preis 3,75 €, Selbstentladung 20% pro Jahr
Restladung nach 10 Monaten = 1900 * 80%^(10/12) = 1578 mAh
Restladung nach 10,5 Monaten = 1900 * 80%^(10,5/12) = 1562 mAh
Restladung nach 11 Monaten = 1900 * 80%^(11/12) = 1548 mAh
Stromverbrauch nach 11 Monaten = 1584 mAh -> der Akku ist nach etwas mehr als 10,5 Monaten leer

Li-Ion

Typische Kapazität 3000 mAh (Sony), Preis 5,00 €, Selbstentladung 4% pro Monat
Restladung nach 12 Monaten = 3000 * 96%^(12) = 1838 mAh
Restladung nach 12,5 Monaten = 3000 * 96%^(12,5) = 1801 mAh
Restladung nach 13 Monaten = 3000 * 96%^(13) = 1765 mAh
Stromverbrauch nach 12,5 Monaten = 1800 mAh -> der Akku ist nach ca. 12,5 Monaten leer

 

Auswertung

	Laufzeit	Kosten pro Jahr	Kosten pro 5 Jahre (Haltbarkeit der Akkus)	Wartungsfahrten pro 5 Jahre
Alkaline	13-14 Monate	0,60 €	3,00 €	5
Ni-MH (hohe Kapazität)	4,5 Monate	15,00 €	15,00 €	13-15
Ni-MH (geringe SE)	10,5 Monate	15,00 €	15,00 €	5-6
Li-Ion	12,5 Monate	5,00 €	5,00 €	5

Was sagt uns diese Rechnung jetzt genau? Bevor wir ein Fazit ziehen, sollte man noch erwähnen, dass die Selbstentladung nochmal erheblich steigt, wenn die Temperatur niedriger ist. Das heißt im Winter haben wir dann nur ca. 50-75% der Laufzeit, je nach Hersteller und Akkutyp.

Fazit

Prinzipiell kann man zusammenfassend sagen, dass Ni-MH-Akkus mit hoher Kapazität für Langzeitbetrieb absolut nicht geeignet sind, da sie eine monatliche Selbstentladung von 25% haben. Optimal sind diese Ni-MH-Akkus, wenn kurzzeitig viel Leistung gebraucht wird, wie z.B. in Werkzeuggeräten oder im Modellbau. Auch die Ni-MH-Akkus mit geringer Selbstentladung liegen preislich um einiges über den den Vergleichstypen und schneiden schlechter ab.

Bei Alkaline und Li-Ion kommt es eigentlich nur auf die Laufzeit an. Wenn wir das Beispiel mit weniger Stromverbrauch rechnen, überholen die Alkaline Batterien die Lithium-Ionen Akkus deutlich. Baut man also eine sehr stromsparende Elektronik und möchte den Wartungsaufwand so gering wie möglich haben, so sollte man auf jeden Fall Alkaline-Batterien einsetzen. Braucht die Elektronik etwas mehr Strom und muss man sowieso jährlich zum Warten, so kann man durchaus über Lithium-Ionen oder Ni-MH Akkus nachdenken

Was man auch nicht vergessen sollte: Für die Akkus braucht man spezielle Ladegeräte und Alkaline Batterien bekommt man an jeder Tankstelle. Umgekehrt gesehen: Bezogen auf die gleiche Energie, braucht man den ca. 2-3-fachen Platz für Alkaline-Batterien als z.B. für Lithium-Ionen. Braucht man eine Spannung von 4V – 5V, so muss man bei Lithium-Ionen mit Spannungswandler arbeiten, was wiederum einen größeren Stromverbrauch mit sich zieht. Arbeitet man mit 3,3V, so kann man optimal einen 3,6V Lithium-Ionen-Akku plus eine kleine Vorschaltung verwenden.

Daher unser Fazit des Ganzen: Pauschale Aussagen gibt es nicht – es muss für jeden Zweck passend bestimmt werden, welche Stromversorgung man verwendet. Allgemein kann man zwar sagen, dass oft Alkaline-Batterien beim Vergleich gewinnen und optimal die Voraussetzungen erfüllen. Allerdings gibt es auch genügend Fälle, bei denen man durchaus über eine andere Versorgung nachdenken muss.