Palm-Tankstelle

Ladestation für 3Com-Organizer

Praxis & Tipps | Praxis

Was haben die meisten Palmtops und der GameBoy außer ihrer Größe und Beliebtheit gemeinsam? Beide bevorzugen herkömmliche Batterien. Ein Zustand, der sich zumindest für die 3Com-Organizer mit wenig Aufwand beheben läßt. Eine kleine Ladeschaltung wertet die Dockingstation, auch Cradle genannt, zu einer intelligenten Palm-Tankstelle auf.

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Die hier vorgestellte Schaltung wurde für einen 3Com Palm III entworfen, läßt sich aber auch mit anderen Organizern von 3Com betreiben. Das größte Problem dürfte dabei der mechanische Einbau der Ladeschaltung sein, da diese trotz ihrer geringen Abmessungen nicht in jedes Cradle paßt. 3Com hat jedoch beim Palm-III-Halter erfreulich viel Platz gelassen, und auch bei den älteren Modellen ist hinter dem Fuß genug Raum, um die Schaltung unauffällig verschwinden zu lassen.

Die Anforderungen an eine solche Schaltung unterscheiden sich in einigen Punkten deutlich von denen gewöhnlicher Akkuladestationen: Sie muß in der Lage sein, den Akku zu laden, während das daran angeschlossene Gerät eingeschaltet ist. Auch darf das Gerät bei defekten oder fehlenden Akkus niemals eine zu hohe Spannung erhalten, sonst könnte die empfindliche Elektronik Schaden nehmen. Der normale Betrieb sollte in keiner Weise beeinträchtigt werden. Die Ladeschaltung darf vollgeladene Akkus nicht überladen, und bei Erreichen des maximalen Ladestandes sollte sie auf Erhaltungsladung umschalten. Der Betrieb eines modifizierten Organizers an einem unveränderten Cradle und andersherum sollte uneingeschränkt möglich sein. Die vorliegende Schaltung erfüllt all diese Kriterien. Während des Datentransfers, der viel Strom verbraucht, wird das Gerät über das Ladegerät versorgt.

Die erste Frage, die sich bei solch einem Projekt stellt, ist: Wie soll der Strom überhaupt in den Palmtop gelangen? Für die RS-232-Verbindung zum Host existiert an den bisherigen 3Com-Organizern (PalmPilot 500/1000, PalmPilot Professional und Palm III) ein 10poliger Stecker, der allerdings nur eine Masseverbindung zu den Batterien aufweist (Pin 1). Die fehlende Verbindung zum Pluspol des Batteriefachs ließe sich direkt mit einem Stück Draht an dem unbenutzten Pin 2 des Geräts herstellen. Damit liegt dann aber die Akkuspannung direkt an zwei benachbarten - in Vorgängermodellen des Palm III sogar nach außen hin ungeschützten - Goldkontakten des Systemsteckers. Werden diese Pins versehentlich kurzgeschlossen, dann fließt ein sehr hoher Strom, der die Akkus sehr schnell entlädt und dabei stark erhitzt. Vor allem bestünde die Gefahr, die Masseleiterbahn zum Stecker zu zerstören.

Ausreichend Sicherheit bietet eine Diode (D5), die man zwischen Pin 2 des Steckers und Pluspol des Batteriefachs schaltet (Durchlaßrichtung zum Pluspol des Batteriefachs). Sie sorgt dafür, daß der Strom nur in den Palmtop hinein, nicht aber über den Kontakt hinaus fließen kann. Vorsicht ist lediglich bei zukünftigen Modellen geboten: Pin 2 ist zwar in aktuellen Geräten unbenutzt, aber 3Com könnte auf die Idee kommen, den Pin zukünftig mit einem anderen Signal zu belegen. Bei den Modellen bis zum Palm IIIx ist das nicht der Fall; bei anderen Geräten sollte man aber sehr genau nach einem sowohl im Gerät als auch in der Dockingstation unbenutzten Pin suchen.

In Modellen vor dem Palm III ist der Pin 2 im Gerät mit nichts verbunden, der Draht zum Batteriefach muß also sehr vorsichtig am hinteren Rand des Goldkontaktes angelötet werden.

Im Palm III hat 3Com bereits eine Leiterbahn vorgesehen, die auf der Platinenrückseite in einem Testpunkt endet. Der perfekte Anschlußpunkt, mag man meinen, aber leider liegt an genau dieser Stelle das Gummi der Tasten des Palm III auf. Um die Funktion der Tasten nicht zu beeinträchtigen, sollte man hier nichts anlöten. Sicherer ist es, den Lötstopplack einige Millimeter hinter dem Goldkontakt vorsichtig von der Leiterbahn zu kratzen und den Draht dort anzulöten. Das hat auch den Vorteil, daß sich der Anschlußpunkt auf der besser zugänglichen Rückseite der Palmtop-Platine befindet.

Vor dem Öffnen des Gehäuses sollte man jedoch bedenken, daß jeder Eingriff in das Innenleben des Geräts jegliche Garantieansprüche erlöschen läßt. Bei allen Lötarbeiten im Palmtop gilt zudem: Daten zuvor auf dem PC sichern, Batterien beziehungsweise Akkus entfernen, sehr vorsichtig löten und keine Kurzschlüsse verursachen, auch wenn der Palmtop aufgrund der prinzipbedingt geringen Ströme im Gerät relativ unempfindlich gegen Kurzschlüsse sein sollte. Nach dieser Modifikation kann das Gehäuse wieder geschlossen werden.

Durch die Wahl des bisher nicht benutzten Pin 2 zur Übertragung der Ladespannung ist sichergestellt, daß ein nicht-modifiziertes Cradle mit einem umgerüsteten Palmtop verwendet werden kann; der Organizer wird dann nur nicht geladen. Andersherum kann in einem modifizierten Cradle gefahrlos ein mit Einmalbatterien betriebener, nicht-modifizierter Palmtop eingesetzt werden; die Schaltung unternimmt keinen Ladeversuch.

Die Ladeschaltung findet auf einer Platine von 4,3 x 2,5 cm2 Platz und basiert auf dem Ladecontroller MAX712 von Maxim [[#literatur 1]], [[#literatur 2]]. Dieser Baustein stellt eine Konstantstromquelle mit Spannungsbegrenzung und automatischer Abschaltung zur Verfügung. Über die Pins PGM0 bis PGM3 läßt sich der Controller programmieren. Die Schaltung stellt ihn für den Betrieb an zwei in Serie geschalteten 1,2-V-NiMH-Zellen ein (PGM0 an V+ und PGM1 offen). Die beiden Zellen im Palmtop werden über Pin 2 des Cradle-Steckers an den Ausgang der Diode D1 angeschlossen. Transistor T1, den der Ladecontroller ansteuert, bestimmt den Strom durch D1. Der MAX712 mißt ständig die am Widerstand Rsense abfallende Spannung und steuert T1 so, daß diese immer 250 mV beträgt. Bei einem Widerstand von 2 [OMEGA] fließt ein Ladestrom von genau 125 mA. Bei anderen Werten für Rsense ändert sich der Ladestrom. Ein Strom von 125 mA eignet sich für Zellen mit einer Kapazität von 500 mAh und erlaubt eine Komplettladung beider Zellen in vier Stunden.

Schaltbild Ladestation
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Mit wenigen Bauteilen läßt sich ein Palmtop-Cradle zu einer intelligenten Ladestation aufrüsten. Der Vergleichstyp BD244 ist leichter erhältlich als der angegebene 2N6109. C1 hat den Wert 1µ und nicht, wie im Heft abgedruckt, 10µ. *

Von diesem Wert ausgehend setzt die Schaltung über die Programmierpins PGM2 und PGM3 den Timeout auf 4,4 Stunden. Auch wenn der MAX712 nach dieser Zeit keine vollen Akkus erkannt hat, bricht er den Ladevorgang ab und schaltet auf Erhaltungsladung. Diese Maßnahme verhindert ein Überladen der Akkus. Im Normalfall stellt der Ladecontroller aber schon vorher fest, daß die Batterien voll sind. Der MAX712 mißt dazu an den Pins BATT+ und BATT- die über den Akku abfallende Spannung. Sie steigt während des Ladens stetig an. Sind die Akkus voll, dann bleibt sie eine Zeitlang konstant, um danach wieder leicht abzufallen. Das Absinken der Spannung am Ende des Ladezyklus ist bei NiMH-Akkus deutlich weniger ausgeprägt als bei NiCd-Zellen, so daß der für NiMH-Batterien entworfene MAX712 am Gleichbleiben der Spannung das Ende des Ladevorganges erkennt.

Alternativ läßt sich die Schaltung mit dem pinkompatiblen MAX713 betreiben. Dieser Chip reagiert auf den NiCd-typischen Spannungsknick und sollte für diese Akkusorte verwendet werden. Auf Grund ihrer deutlich größeren Kapazität und vor allem wegen des kaum vorhandenen Memory-Effekts empfehlen wir aber NiMH-Akkus. Sie sind in Mikrobauform inzwischen relativ preisgünstig im Elektronikbedarf zu bekommen.

Viele moderne Ladegeräte und Laderegler erlauben, die zu ladende Zellenzahl automatisch festzustellen. So praktisch dieses Feature ist, für ein parallel zu den Batterien angeschlossenes Gerät kann der damit verbundene Meßvorgang tödlich sein. Um die Zellenzahl festzustellen, erhöhen solche Geräte die angelegte Spannung kontinuierlich und messen den dabei fließenden Strom. Die dazu angelegten Spannungen können einem parallel angeschlossenen Verbraucher gefährlich werden.

Daher programmiert die hier vorgestellte Schaltung den Laderegler über die beiden Pins PGM0 und PGM1 fest auf die Ladung von zwei Zellen. Zusätzlich begrenzt der Chip die maximale Ladespannung (BATT+ gleich Vlimit mal der verwendeten Zellenzahl). Da Vlimit mit dem Pin REF - hier liegt eine Referenzspannung von zwei Volt an - verbunden ist, ergibt sich für die Ladespannung ein Wert von maximal vier Volt. Diese Spannung ist für ein Gerät, das normalerweise mit zwei 1,5-Volt-Batterien läuft, nicht unbedingt verträglich. Über die im Organizer eingebaute Diode D5 fallen jedoch zusätzlich 0,7 V ab, so daß am Gerät selbst maximal 3,3 V liegen. Dieser Wert ist akzeptabel, zumal der im PalmPilot eingesetzte Spannungswandler mit bis zu acht Volt betrieben werden darf.

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Bis auf die Schutzdiode D5 und die beiden LEDs sind alle Bauteile auf der Platine untergebracht. Statt des exotischen 66k-Widerstandes im Spannungsteiler lassen sich auch zwei in Reihe geschaltete 33k-Widerstände verwenden. *

Allerdings sind neben dem Spannungswandler noch der Step-up-Converter für die Hintergrundbeleuchtung und der A/D-Wandler zum Messen der Batteriespannung direkt an die Batterien angeschlossen. Daß diese Teile keine sehr viel höhere Spannung als drei Volt vertragen, ist nicht auszuschließen; 3,3 V stellen also die sichere Obergrenze dar. Dieser Wert wird in der Praxis unter normalen Umständen nicht erreicht; er kommt nur vor, wenn die Akkus defekt sind oder der Palmtop ohne Akkus in der Ladestation steckt. In diesem Fall erreicht der Regler den Ladestrom von 125 mA nur, wenn er mit der Spannung an BATT+ über 4 V geht. Der Controller geht dann davon aus, daß keine Akkus eingelegt sind und beendet den Ladevorgang. Sobald wieder Akkus eingelegt sind, startet der Ladevorgang neu.

Die Platine der Ladeelektronik läßt sich im Cradle unterbringen. Dazu muß das Cradle-Gehäuse vorsichtig geöffnet werden. Während die Station des Palm III nach dem Lösen einer Schraube im Boden fast von selbst auseinanderfällt, muß man bei den Halterungen älterer Modelle die Front mit dem HotSync-Taster nach schräg unten abziehen. Dabei kann man gegebenenfalls die beiden Plastikklemmen, die sich an der vorderen Unterseite befinden, leicht zusammendrücken. Im Cradle des Palm III läßt sich problemlos die gesamte Ladeelektronik unterbringen, bei den älteren Modellen muß man sie dagegen auf der Rückseite der Halterung befestigen. Im Cradle sind dann lediglich die Anschlüsse mit dem Stecker zum Palmtop zu verbinden und gegebenenfalls die Leuchtdioden und der Stecker zur Spannungsversorgung unterzubringen.

Die Ladestation verträgt sich auch mit mobilen Geräten, bei denen die Diode D5 fehlt, etwa weil im Gehäuse dafür kein Platz war oder weil der Batterieanschluß werkseitig schon auf dem Steckverbinder lag. In einem solchen Fall muß man die Spannung am Gerät begrenzen, indem man Vlimit mittels eines Spannungsteilers auf einen niedrigeren Referenzpegel (1,25 bis 2,5 Volt) legt. Alternativ läßt sich die Diode D5 aus dem Palmtop in die Halterung verlegen.

Um den Ladevorgang und die Spannungsversorgung kontrollieren zu können, sind zwei Leuchtdioden (D3, D4) vorgesehen. D4 zeigt die Spannungsversorgung an, während ein Leuchten von D3 den Schnellladevorgang anzeigt. D3 erlischt, sobald die Akkus voll sind, das Gerät aus dem Cradle genommen wird oder der Ladevorgang aus einem anderen Grund abgebrochen wird. Die LEDs lötet man direkt in die Platine ein oder bringt sie über kurze Kabel an einer gut sichtbaren Stelle in der Front des Cradle unter.

Das zur Versorgung der Schaltung nötige Netzteil kann ein relativ billiges Steckernetzteil sein. Es muß zirka 7,5 V bei einem Strom von 200 mA liefern können. Letzterer Wert sollte auf keinen Fall unterschritten werden; schwache ungeregelte Netzteile neigen dazu, die Spannung nicht über die gesamte Phase bei vollem Strom konstant halten zu können. Im Zweifelsfall sollte ein etwas stärkeres oder sogar ein geregeltes Netzteil verwendet werden. Sehr wichtig ist auch, daß der negative Ausgang des Netzteils nicht geerdet ist, da das Massepotential der Ladeschaltung über Rsense um 250 mV niedriger liegen muß als der Masseanschluß des Cradles.

Elektronik des PalmPilot
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Ein Stück Schrumpfschlauch, das über die Diode D5 gestülpt wurde, schützt die Elektronik des PalmPilot (links) vor ungewollten Kurzschlüssen. Im Palm III (rechts) verlängert ein Bonddraht die Leiterbahn an Pin 2 des Systemsteckers bis zur Diode D5.
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Einfache Steckernetzteile sind in der Regel nicht mit der Schutzerde verbunden, eignen sich also ausgezeichnet für die hier vorgestellte Schaltung. Um die Schaltung an einem geerdeten Labornetzteil zu testen, darf das Cradle zur Sicherheit nicht mit einem PC verbunden sein. D2 beugt schlimmeren Folgen aufgrund einer versehentlichen Verpolung des Netzteils vor.

Nach einer sorgfältigen Kontrolle aller Lötarbeiten und der Einbaurichtung der Dioden und Elkos kann ein erster Test erfolgen. Dazu wird die Ladeschaltung ohne Last betrieben. Jetzt darf die Ladekontrolldiode D3 nicht leuchten. Die Stromaufnahme der Schaltung sollte knapp über dem Stromverbrauch der leuchtenden Power-LED D4 liegen, also zirka 15 mA betragen. Die am Stecker des Cradle zwischen Pin 1 und Pin 2 meßbare Spannung muß genau vier Volt betragen.

Ganz vorsichtige Menschen sollten die Akkus nur über eine Diode an das Cradle anschließen und dabei die Spannung über den Batterien messen, die zu Beginn bei leeren Akkus etwa 2,4 V beträgt und langsam auf bis auf 2,8 V ansteigen kann. Vor allem muß dabei ein Ladestrom von genau 125 mA in die Akkus fließen und über Rsense eine Spannung von 250 mV anliegen. Der Gesamtstromverbrauch der Schaltung liegt bei etwa 150 mA, und die Ladekontrolldiode leuchtet hoffentlich. Wenn soweit alles funktioniert, ist der Moment gekommen, den Palmtop mit Akkus zu bestücken und in die 'Wiege' zu legen.

Cradle des Palm III
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Das Cradle des Palm III bietet genügend Platz, um die Schaltung samt Verdrahtung, Zustands-LEDs und Netzteilbuchse unterzubringen.

Der hier eingesetzte Maxim-Ladecontroller ist eigentlich für reine Akkuladegeräte konzipiert. Daher bringt ein während der Ladung eingeschalteter Organizer natürlich die Buchführung des Maxim über den Ladezustand durcheinander; er bricht dann den Ladevorgang ab, weil die Akkuspannung konstant bleibt beziehungsweise etwas absinkt. Dieser Effekt kann auch durch ein zu schwaches Netzteil auftreten und ist nicht weiter von Nachteil. Sobald man den Organizer aus dem Cradle entfernt und wieder eingesetzt hat, startet der Ladevorgang von neuem. Dieses Problem tritt generell bei gleichartigen Ladeschaltungen wie beispielsweise in schnurlosen Telefonen auf und läßt sich nicht komplett umgehen. Der gegenteilige Fall, daß der Ladevorgang zu spät endet und die Akkus überladen werden, kann dagegen nicht eintreten. Bei einer Stand-by-Zeit mit vollen Akkus von mehreren Monaten und einer Betriebszeit von zehn Stunden bei permanent eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung stellt der Akkuzustand in der Regel kein Problem dar.

Natürlich darf man in einem so modifizierten System bei eingeschaltetem Ladegerät keine Einwegbatterien mehr benutzen. Diese könnten bei einem Ladeversuch undicht werden und den Palmtop beschädigen. Ist das Ladegerät allerdings abgeschaltet, lassen sich ohne Einschränkung Einwegbatterien verwenden. Auf die Benutzung von wiederaufladbaren 1,5-Volt-Batterien sollte man verzichten, da der MAX712 solche Zellen nicht laden kann. (pen)

* Korrekturen und Ergänzungen zur Printversion in rot.

Weitere Hinweise und Berichtigungen unter: c't-Projekte

[1] MAX712/MAX713 - NiCd/NiMH Battery Fast-Charge Controllers; Data Sheet 19-0100 Rev. 3; http://www.maxim-ic.com

[2] MAX712 - NiCd/MiMH Linear-Mode Evaluation Kit; Application Note; Maxim; 1997

[3] Peter U. Strobel, Peter's Pilot Pages, http://home.t-online.de/home/PSPilot/

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Stückliste
Widerstände
R1 220R
R2 150R
R3 66k (ggf. 2 x 33k in Reihe), 1% *
R4 22k, 1% *
R5,6 560R
Rsense 2R (siehe Text)
Kondensatoren
C1 1µ/63V, RM 5mm *
C2,4 10n
C3,5 10µ/16V Tantal
Halbleiter
D1,2 1N4001
D3 LED gelb
D4 LED grün
D5 1N4001 (siehe Text)
T1 2N6109 oder BD244 *
IC1 MAX712 (siehe Text) erhältlich z. B. bei Simons, Kerpen, oder Reichelt, Sande
Sonstiges
Platine c't-Palm-Lader, eMedia-Best.-Nr. 9907214B

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Auf der Web-Seite von Peter U. Strobel, Peter's Pilot Page, finden sich diverse Hintergrundinformationen, Tips und Software rund um den PalmPilot. Von besonderem Interesse sind hier einige Share- und Freeware-Programme, mit denen sich der Zustand der Batterien beziehungsweise Akkus überwachen (Voltage Display, Battery Monitor, Voltage Control) oder der Stromverbrauch des Geräts verringern läßt (Eco Hack). Voltage Display zeigt neben dem Symbol für den Batterieverbrauch die genaue Batteriespannung an. Battery Monitor erstellt ein exaktes Profil (Gesamtverbrauch, Verbrauch für Backlight, Datenübertragung oder turbo beziehungsweise eco mode) über den Energieverbrauch des Organizers. Aus dem angegebenen Typ der eingesetzten Energiequelle und einem User-Profil errechnet Battery Monitor ein geschätztes Fälligkeitsdatum für den nächsten Batteriewechsel oder die Akkuladung. Voltage Control zeigt in allen Applikationen zusätzlich ein Batteriesymbol an. Eco Hack verringert den Energieverbrauch, indem es den Systemtakt des Pilots verringert. Voltage Contol und Eco Hack benötigen zur Installation beide die Software HackMaster, ein Werkzeug, mit dem sich Systemerweiterungen installieren, verwalten und deinstallieren lassen. HackMaster ist ebenfalls Shareware und steht unter der Adresse www.daggerware.com zum Download bereit.