Visor-Tankstelle

USB-Cradle zum Visor-Ladegerät aufrüsten

Praxis & Tipps | Praxis

PDAs haben sich bei vielen als elektronische Merkhilfe unentbehrlich gemacht. Doch oft ist ausgerechnet gerade dann die Batterie leer, wenn man eine wichtige Telefonnummer nachschlagen will. Schön wäre eine automatische Aufladung, wenn der PDA zwecks HotSync sowieso im Cradle steckt, doch leider hat Handspring diesen Wunsch erst bei den neueren Modellen berücksichtigt. Für Besitzer älterer Geräte gibt es jetzt Abhilfe.

Aufmacher

Mit unserer kleinen Schaltung genügt es in Zukunft, den PDA einfach ins USB-Cradle zu stellen, damit sein Energiespeicher aufgefüllt wird. Dabei sorgt ein Ladecontroller vollautomatisch für korrekte Aufladung der Akkus, der Anwender muss sich um nichts weiter kümmern. Das Projekt eignet sich für alle Visor-Modelle, die von sich aus mit Batterien laufen, also Visor, Solo, Deluxe, Platinum und Neo. Handsprings PDA-Typen Prism, Pro und Edge bringen bereits Lithium-Ion-Akkus, eine Ladeschaltung sowie entsprechende Cradles mit und brauchen diese Nachhilfe nicht. Anders als die ladefähigen Cradles von Handspring kommt unsere Nachrüstlösung dank Spannungsversorgung per USB jedoch ohne zusätzliches Steckernetzteil aus.

Im Unterschied zu Batterien kann man Akkumulatoren, kurz Akkus, wieder aufladen, siehe dazu auch den nachstehenden Artikel ab Seite 208 in c't 10/2004, was Voraussetzung für die Visor-Tankstelle ist. Akkus in Nickel-Metallhydrid-Technik (NiMH) halten wenigstens einige hundert, bestenfalls bis zu tausend Ladezyklen aus. Auf die Lebensdauer hochgerechnet kann eine 700-mAh-Mikrozelle folglich bis zu 700 Ah elektrische Energie speichern, wogegen eine typische Batterie - beispielsweise eine Alkali-Mangan-Zelle aus Vartas Universal-Reihe - auf einmalige 1,1 Ah kommt.

Um einen fünf Euro teuren Satz NiMH-Akkus, der 300 Zyklen durchhält, durch Alkali-Mangan-Zellen zu ersetzen, müsste man wenigstens 380 Batterien zu je rund 45 Cent kaufen. Abgesehen davon, dass das bei typischem PDA-Gebrauch für etwa 20 Jahre - vielleicht das Vierfache der normalen Lebensdauer - reichen würde, kosten sie über die Zeit etwa 170 Euro; bei angenommenen 1000 Ladezyklen für den Akku-Satz sogar 570 Euro. Da müsste der Preis für ein Ladegerät doch locker drin sein.

Akkus, die paarweise zum Einsatz kommen, sollte man auch grundsätzlich paarweise vom gleichen Typ und Hersteller kaufen, nur dieses Paar miteinander verwenden und nicht mit anderen Zellen mischen. Allein das gewährleistet die gemeinsame, gleichmäßige Alterung des Zellenpaars und damit längere Funktion. Nutzt man mehrere Akku-Sätze, dann sollte man auf die Zellen mit Folienstift einen Kennbuchstaben aufschreiben und den mit einer Lage Tesafilm als Abriebschutz versehen.

Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) sind, selbst wenn billiger als die gleich großen NiMH-Typen, aus drei Gründen weniger geeignet: Erstens haben sie eine geringere Energiedichte, also weniger Kapazität pro Volumen, also kürzere PDA-Laufzeit, zweitens macht Cadmium beim Entsorgen mehr Ärger. Das EU-Parlament überlegt sogar, im Rahmen der Elektronikschrott-Richtlinien ab 2006 Cadmium als Bestandteil in Elektronikgeräten zu verbieten. Und drittens neigen NiCd-Zellen dazu, Kapazität zu verlieren, wenn man sie nachlädt, bevor sie ganz entladen waren. Deshalb sollte man mit der Visor-Tankstelle nur NiMH-Akkus einsetzen, die diesen Memory-Effekt nicht zeigen [#lit [1]].

Von der Warnung des Herstellers, dass ältere Visoren - speziell die Deluxe-Typen - nur mit Batterien sicher laufen, sollte man sich nicht schrecken lassen. Der Platinum des Autors läuft schon seit einem halben Jahr problemlos mit NiMH-Akkus.

Vom Wechsel muss man das Gerät per Dot Command unterrichten, damit Warnungen des Betriebssystems bei zur Neige gehender Energie weiterhin rechtzeitig erfolgen. Dazu öffnet man einen Merkzettel oder eine Kalendernotiz, zieht die Makroschleife (kleines Schreibschrift-L), schreibt einen Punkt (Dot) sowie die Ziffer 7. Damit schaltet das Betriebssystem auf den nächsten Batterie- respektive Akku-Typ weiter und zeigt ihn in eckigen Klammern an.

Das Dot Command wiederholt man so lange, bis `[NiMH]´ erscheint und löscht anschließend die Notiz wieder. Diese Konfiguration passt die Schwellen für die Ladestandswarnungen an die Entladekurve der Akkus an. Solche Warnungen sollte man übrigens ernst nehmen und die Energiespeicher nach der Warnung schnellstmöglich aufladen oder austauschen, denn die Entladekurve fällt bei Akkus gegen Ende steiler ab als bei Batterien - dann kann urplötzlich der Speicher leer sein.

VISOR zerlegt
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Visoren kann man meist mit Bordmitteln zerlegen: Der nötige Schraubendreher steckt bei vielen PDAs im Schreibstift.

Wer mit Elektronikerwerkzeug einigermaßen sicher umzugehen vermag, kann dem Traum des nie erlahmenden `Persönlichen Digitalen Assistenten´ mit mäßigem Aufwand näher kommen. PDA-Besitzer, die keine oder nur wenig Erfahrung im Löten haben, sollten lieber geübtere Kollegen oder Freunde bitten, die Umrüstung vorzunehmen. Mit etwas Ungeschick besteht sonst die Gefahr, den Visor zu beschädigen.

Bevor man die Ladeschaltung mit dem Visor verwenden kann, muss man eine Verbindung zwischen dem Cradle-Kontakt Vdock und dem Pluspol der Batteriehalterung herstellen. Das Zerlegen des PDA klappt folgendermaßen, hier am Beispiel des Visor Platinum, beim Deluxe funktioniert es ähnlich [#lit [2]]: Nach Entfernen der Springboard-Slotabdeckung löst man die vier Schräubchen. Anschließend gleitet man mit dem Daumennagel entlang der Rille zwischen den Deckelhälften, bis das Gehäuse aufschnappt.

Das Button-Board mit den Batterie-Kontaktfedern lässt sich dann mit wenig Kraft abziehen - mit angemessener Vorsicht, denn das Mikrofon hängt an zwei dünnen Drähtchen, die schnell abgerissen sind. Den Vdock-Kontaktpin schneidet man mit einer Drahtschere nahe der Platine ab, biegt den Rest hoch und lötet daran einen dünnen Draht an. Der sollte - siehe Bild - geschleift liegen, damit er beim Zusammenbau nirgends eingequetscht wird. Dazu muss man gegebenenfalls etwas Plastik vom Schraubensockel der Gehäuseschale abschneiden.

rote Verbindung auf dem Buttonboard
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Für den Einsatz mit dem modifizierten USB-Cradle muss man diese, hier rote Verbindung auf dem Buttonboard des Visors ziehen.

Vor der Umbauaktion sollte man auf jeden Fall einen HotSync durchführen, denn der integrierte Not-Energiespeicher hält das Daten-RAM des PDA nur wenige Minuten am Leben, was für den Umbau wahrscheinlich nicht ausreicht.

Die Modifikation hat freilich einen kleinen Nebeneffekt: Springboard-Module mit einem zusätzlichen Akku, der über Vdock geladen wird, kann man nun nicht mehr einsetzen. Doch sind solche Module wohl nur wenig verbreitet. Auch nach der Änderung funktioniert der PDA weiterhin mit Batterien. Wer also längere Zeit keinen Zugriff auf das Lade-Cradle hat, kann immer noch Primärzellen als Notnagel griffbereit halten oder einen zweiten Akku-Satz mit einem externen Ladegerät verwenden.

Mit der Lötbrücke BR kann man zwischen Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Zellen wählen; auf der eMedia-Platine ist die Brücke standardmäßig auf NiMH eingestellt. Will man mit dem Board trotz ihrer oben beschriebenen Nachteile dennoch NiCd-Akkus laden, dann muss man die Leiterbahn zwischen den beiden Pads mit einem scharfen Werkzeug unterbrechen und die gegenüberliegenden Pads mit einem Klecks Lötzinn oder einer kleinen Brücke verbinden. Anschließend darf man selbstverständlich nur noch den jeweiligen Typ im PDA verwenden. Geräte ohne Modifikation, mit regulären Batterien oder Rechargeable-Alkali-Mangan-Zellen (RAM) darf man nicht in das umgebaute Cradle stecken. Ein selbst gemachter Aufkleber sollte das verhindern.

Signalisierungs-LEDs
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Die Signalisierungs-LEDs kann man mit ein wenig Kleber an der Rückseite der Cradle-Frontplatte fixieren und mit einem Kabelrest von der Platine absetzen.

Setzt man dennoch einen modifizierten PDA ein, in dem statt der Akkus zwei Batterien stecken, dann probiert die Schaltung zunächst, sie zu laden. Jedoch stellt der Controller nach kurzer Zeit fest, dass keine Akkus angeschlossen sind, bricht den Ladevorgang ab und meldet das durch anhaltendes schnelles Blinken von D3.

rote Verbindung auf dem Buttonboard
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Beim Einbau der Platine in das Cradle wird etwas Nachbearbeitung der Bodenplatte nötig. Deren Stege muss man leicht stutzen, damit sich das Gehäuse ohne Gewalt wieder schließen lässt.

Ein Cradle mit Visor-Tankstelle muss entweder direkt am Mainboard-USB-Port oder an einem Hub mit eigenem Netzteil (Self-Powered Hub) hängen, weil der Lader bis zu 400 mA zieht. Der Vorteil bei Self-Powered Hubs, die mit eigenem Steckernetzteil direkt am Stromnetz hängen: Selbst wenn der PC heruntergefahren und abgeschaltet ist, lädt das Cradle die Akkus weiter.

Zwar verletzt der Lader die USB-Spezifikation, weil er ohne Freigabe des Host-Controllers hohe Ströme aus dem Port zieht, doch dürfte das wegen des Einsatzes direkt am Mainboard oder Self-Powered Hub keine Probleme bereiten. Auch wenn das das Power Management des USB konterkariert: An einem Laptop, bei dem dieses richtig zum Tragen käme, wäre der Einsatz der Visor-Tankstelle eh recht zweckfrei, denn die Tankstelle würde zu Gunsten des PDA den Akku des Laptops leer saugen. Doch auch hier gibt es eine Ausnahme, nämlich dann, wenn man den Laptop stationär mit angeschlossenem Netzteil nutzt.

Die Tankstellen-Platine lässt sich mit etwas mechanischem Geschick leicht im USB-Cradle [#lit [3]] unterbringen, wobei man drei Drähte zwischen ihr und dem Button-Board im Cradle ziehen muss (s. Bild). Falls man die Lötpunkte unseres Beispiels auf dem eigenen Modell nicht wiederfindet, kann man Masse und +5 V auch direkt am USB-Kabel abgreifen. Die Leiterbahn für Vdock sollte sich mit einem Durchgangstester ebenfalls leicht aufspüren lassen.

Der Stromsensor R12 muss rechnerisch zwar eigentlich nur 0,5 W verkraften, doch sind 1-W-Typen leichter erhältlich. Zudem bieten sie mehr Reserve und Oberfläche zum Verteilen der Verlustleistung. R11 zielt mit 56k auf einen Ladestrom von rund 350 mA. Bei einer 700-mAh-Zelle - `größte´ derzeit erhältliche NiMH-Zellen in der Bauform AAA (Micro) - wäre das C/2-Ladung, die Akkus also nach maximal zwei Stunden voll geladen.

Schaltbild
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R11 ist für einen Ladestrom von etwa 350 mA ausgelegt, wesentlich darüber sollte man nicht gehen, um den USB nicht zu überfordern.

Mit einprozentig tolerierten Widerständen (ausgenommen R12 und Versorgungsspannung, beide sind mit fünf Prozent angesetzt) streut der Ladestrom etwa zwischen 305 mA und 385 mA. Mit 47k für R11 ergeben sich rechnerisch rund 400 mA, in der Praxis zwischen 350 und 450 mA. Da der Rest der Schaltung auch etwas Energie braucht, sollte man nicht unter 47k gehen. Sonst könnte der Strom bei ungünstigen realen Bauteilwerten zu nahe an 500 mA herankommen, was ungnädige Hubs unter Umständen dazu veranlasst, der Schaltung den Saft abzudrehen. Außerdem könnte der mit dem Strom steigende Spannungsabfall an R12 und D5 die sichere Vollladung der Zellen begrenzen.

SMD-Bauteile
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SMD-Bauteile
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Da wir um SMD-Chips eh nicht herumkamen, helfen zwei weitere SMD-Bauteile, die Schaltung auf einer Cradle-kompatiblen, kleinen Platine unterzubringen

Wer sich nun fragt, warum wir einen ausschließlich als SMD-Baustein erhältlichen Lade-Controller gewählt haben: Der LM3647 ist nach unserer Recherche derzeit der einzige, für Selbstbauer hierzulande einigermaßen erhältliche Ladechip, der mit einer Versorgungsspannung von 5 V auskommt und mindestens zwei gängige Akku-Typen bedienen kann.

Steckt kein PDA im Cradle, dann geht die Tankstelle nach dem Einschalten zunächst in den Standby (beide LED aus). Sobald man einen PDA abstellt, läuft der Detect-Zustand an, bei dem D3 schnell mit etwa 4 Hz für knapp drei Sekunden blinkt. Dabei überprüft der Chip, ob tatsächlich Akkus angeschlossen sind. Falls ja, beginnt er die Ladung mit einem Softstart (D3 blinkt langsam, etwa 0,5 Hz), die etwa fünf Minuten dauert.

Platine
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Das Bestücken beginnt man zweckmäßigerweise mit den lötseitigen SMD-Bausteinen, da die Platine nur ohne bedrahtete Bauteile plan auf dem Tisch liegen bleibt.

An den Softstart schließt sich die eigentliche Schnell-Ladung an (D3 leuchtet dauernd, D4 blinkt langsam). Anhand der Änderung der Zellenspannung erkennt das IC, wann die Akkus voll sind. Falls diese Erkennung versagt, garantiert ein mit R3 und C1 einstellbarer Timeout (Details siehe [#lit [4]]), dass der Ladestrom spätestens nach rund 100 Minuten abgeschaltet wird.

Im Anschluss an die Schnellladung setzt der Baustein noch eine Topping Charge drauf (D3 leuchtet dauernd, D4 blinkt schnell), deren Dauer ebenfalls von R3/C1 abhängt (hier etwa 25 Minuten), bevor er in die Ladeerhaltung (D3 leuchtet dauernd) übergeht. Eventuelle Fehler - Batterien statt Akkus, defekte Zellen - meldet der Lader mit D3, die dauerhaft schnell blinkt, bis man den PDA aus dem Cradle nimmt.

Übrigens muss man die Platine nicht unbedingt wie gezeigt verwenden: Mit einem überzähligen USB-Kabel, von dem man den Typ-B-Stecker abtrennt, und einem billigen Batteriehalter für zwei AAA-Zellen kann sie genauso gut als Standalone-Akku-Ladegerät dienen.

Nach dem Einlegen des PDA kann es übrigens durchaus zehn Sekunden dauern, bis der Lader die Akkus erkannt hat. Ebenso dauert es nach Entnahme des voll geladenen PDA bis zu einer halben Minute, bis die Schaltung wieder in den Standby-Modus geht. Wenn sich also scheinbar mal nichts rührt, muss die Platine nicht gleich defekt sein.

Will man höherkapazitive oder mehr als zwei Zellen laden, dann kommt man um eine Anpassung der Lade-IC-Beschaltung [#lit [4]] und eventuell auch der schaltbaren Konstantstromquelle (IC2, T1) nicht herum. Außerdem wird ein externes Netzteil fällig, denn der USB liefert eben maximal 500 mA bei 5 V.

Wer die Signalisierung der Zustände mit den Leuchtdioden erweitern will, sollte keinesfalls einfach die Ausgänge LED2 und LED3 parallel schalten. Denn diese sind, auch wenns nicht explizit im Datenblatt steht, keine Open-Drain-Ausgänge. Zwei dazwischengeschaltete Kleinleistungsdioden wie die übliche 1N4148 reichen für die nötige Entkopplung aus. (ea)

[1] http://de.portable.varta.com/products/port/memory-effect.html

[2] Stephanie´s Visor Modifications Page

[3] Technical Reference Guide: Visor Handheld Family, www.handspring.com/developers/documentation.jhtml

[4] Datenblatt LM3647 auf www.national.com

[5] Batterie-Glossar, Fraunhofer-Gesellschaft, Institut Chemische Technologie, Abteilung Angewandte Elektrochemie

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R1,2,5 1k
R3 100k
R4 3k3
R6 33k
R7,9 15k
R8 2k2
R10,13 10k
R11 56k1
R12 2R2, 1 W, RM 15
R14 43k

alle R Metallfilm 1 % Toleranz, 0,25 W, ausgenommen R12

C1 10 nF
C2 68 pF, Keramik, möglichst NP0
C3 47 nF, Polyester, z. B. Wima MKS
C4,6,7 100 nF
C5,8 10 µF/6 V, Tantal, RM2,5

alle Kondensatoren RM5, ausgenommen C5,8

Halbleiter

D1 LM4040DIZ-2.5, TO92
D2 1N4148
D3 LED 3 mm, grün
D4 LED 3 mm, gelb
D5 1N5819 o. ä. Schottky-Diode
1 A/40 V, z. B. SB140
T1 SI9430 oder SI9435, SO8
IC1 LM3647, SO20
IC2 TS912, SO8

alle Halbleiter z. B. bei www.segor.de erhältlich

Sonstiges

Platine 0210204B, eMedia, www.emedia.de

1 siehe Text

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Akkutyp beim PDA umschalten
Starthilfe für Visor-Tankstelle

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