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Im folgenden stellen wir das vollständige Kapitel zum Selbstbau von Solarradios in einer Online-Version vor:
  

von Paul Feltes,     Gymnasium Frechen, Rotdornweg 43, 50226 Frechen

Seit etwa 2 Jahren arbeiten wir im Rahmen unserer Sonnenwerkstatt am Solarradioprojekt. Schülerinnen und Schüler aus verschiedenen Jahrgangsstufen treffen sich nach der Schule zum Experimentieren in einer Arbeitsgemeinschaft.

Dazu werden Schaltbilder interpretiert und immer wieder kommt der Lötkolben zum Einsatz. Vom provisorischen Prototyp bis zum funktionstüchtigen Lautsprechermodell sind bereits Versionen gebaut worden.

Immer wieder gab es auch Rückschläge, weil manche Komponenten nicht so miteinander zusammen arbeiten wollten, wie wir uns das gedacht hatten. Von diesen Erfahrungen und unseren weiteren Plänen wollen wir hier berichten.
  

Reif für die Insel:

Die nebenstehende Abbildung zeigt den Autor dieses Textes auf den Umweltschutztagen Frechen am heißesten Tag des Jahres 2001. Diesen übersteht er nur dank entsprechender Kühlung mittels eines kleinen Springbrunnens, der durch ein Fotovoltaikmodul betrieben wird.

Eine solche Anordnung bezeichnet man als Inselanlage. Dies bedeutet, dass es außer der Sonne keine weitere Energiezufuhr gibt.

Ein Solarradio ist ebenfalls eine kleine portable Inselanlage. Eine Inselanlage muss für den zu betreibenden Verbraucher ausgelegt werden. Sie sollte darüber hinaus einen Energiespeicher besitzen, um dunkle Tage zu überbrücken.

Wer ein Solaradio bauen will, sollte sich also zunächst mit dem Verhalten und der Schaltungsweise von Fotovoltaikmodulen vertraut machen. Die Module müssen genügend elektrische Energie für das Radio liefern können. Dazu müssen die richtigen Strom- und Spannungswerte erreicht werden.

"Denk daran, schaff´ Vorrat an", entsprechend dieser Devise wollen wir uns Kenntnisse über elektrische Energiespeicher verschaffen. Da gibt es Akkus, die geladen werden müssen, oder soll es ein "Gold-Cap" werden, der die Energie mit einem höheren Wirkungsgrad speichert?

Der Radiobaustein
Wichtig ist es, einen Radiobaustein zu finden, der so wenig Energie benötigt, dass er mit einer kleinen Solarzelle betrieben werden kann. Die "100 W Poweranlage" kommt also nicht in Frage. Wir haben unsere Ansprüche auf Kopfhörerempfang eingeschränkt. Bei diversen Elektronikversandhäusern gibt es ein vielfältiges Angebot an Mini-Radios, die für unsere Zwecke in Frage kommen. Auch ein Solarkurbelradio gibt es, aber wir haben uns ja vorgenommen, unsere kleine Anlage selbst zu entwerfen.
Unsere Wahl fällt auf das preiswerteste Modell, ein Mini-UKW-Radio mit der schon fast luxuriösen Ausstattung einer automatischen Senderwahl.
Die Betriebsspannung beträgt 3 V bei einer Stromstärke um 10 mA. Wenn man die Batterien heraus nimmt, werden zwei Anschlüsse für die Stromversorgung zugänglich, an die man mit dem Lötkolben Drähte anbringen kann.

Das Fotovoltaikmodul
Solarzellen liefern in der Regel eine Spannung von 0,5 Volt. Man braucht also sechs Zellen, um die erforderlichen 3 Volt zu erreichen.
Fotovoltaikzellen sind dünn und zerbrechlich. Es funktioniert nicht, die Zellen zum Transport in die Tasche zu stecken oder - wenn man Radio hören will - in die Sonne zu legen.

Wir entscheiden uns für folgende drei Varianten:

• Gekapseltes Solar-Minipanel (3 V, 80 mA, Conrad, Best.-Nr. 194760, 7,64 E)
  Vorteil: fertiges Modul, es sind schon Stecker dran, d.h. sofortiger Einsatz möglich
  Nachteil: Leider nicht wasserdicht, nicht für den Einbau in Gehäuse geeignet
• Solarzelle Sunceram2
  (3,4 V, 40 mA, Conrad, Best.-Nr. 196606, 7,11 E)
  Vorteil: komplettes Modul
  Nachteil: zerbrechlich, nur für den Einbau geeignet, Kabel müssen angelötet werden
• Vergossene Zellen
  (1,5 V, 380 mA, Opitec, Best.-Nr. 124.247, 7,10 E)
  Vorteil: wasserdicht, hohe Leistung, zum Aufbau eines Moduls geeignet
  Nachteil: zwei Stück erforderlich
     

Extremwertmessungen
Um mehr über unsere Solarzellen zu erfahren, wollen wir untersuchen, welche Spannung und welchen Strom sie liefern. Dazu benutzen wir ein Multimeter.
Außerdem benötigen wir klaren Himmel und Sonnenschein - bei Regen benutzen wir einen 150 W Halogenscheinwerfer (aus dem Baumarkt für 10,- E). Diesen bauen wir in etwa 10 cm Abstand senkrecht vor den Solarzellen auf. Keinesfalls den Scheinwerfer näher vor die Zelle stellen: Die Zellen werden sonst zu heiß, verlieren an Wirkungsgrad und können verschmoren.
Es gibt zwei Kenngrößen, die viel über die Solarzelle verraten: Die Leerlaufspannung ist die Spannung an der Zelle ohne Belastung durch einen Verbraucher. Der Kurzschlussstrom - kaum zu glauben, aber wahr: Die Zelle wird über einen Strommesser kurzgeschlossen, der Strom wird gemessen. Der Kurzschlussstrom quält die Solarzelle. Leider kann er bei einer Spannung von 0 Volt keinen Verbraucher antreiben.
Beide Werte kann man mit den Herstellerangaben vergleichen. Sie zeigen, ob die Zelle richtig funktioniert.
  

Messen mit Gefühl und ein wenig Physik
Wer mehr über seine Solarzelle erfahren will, nimmt eine Kennlinie auf. Wir messen Strom und Spannung bei verschiedenen Lastwiderständen. Mit diesen Werten kann man ein aufschlussreiches Diagramm zeichnen und die maximale Leistung herausfinden, die die Zelle abgeben kann.
Die Leistung berechnen wir nach der Formel: Leistung = Spannung x Strom. Das Diagramm liefert den optimalen Betriebszustand der Zelle oder des Solarmoduls.

Der Energiespeicher
Eine einfache und preiswerte Möglichkeit, elektrische Energie zu speichern, sind NiCd- bzw. NiMH-Akkus. Zwei Akkus liefern eine Spannung von 2,4 Volt. Mit dieser Spannung lässt sich der Radiobaustein gerade noch betreiben.
Wenn der Radiobaustein einen Strom von 10 mA benötigt, kann ein Akku mit einer Kapazität von 100 mAh diesen Radiobaustein 10 Stunden lang betreiben.
Liefert das Solarmodul einen Strom von 10 mA, so dauert es bei ausgeschaltetem Radio 14 bis 16 Stunden, bis der Akku voll geladen ist.
Fazit: Je größer die Kapazität des Akkus ist, desto länger kann das Radio auch ohne Sonne betrieben werden. Entsprechend wächst aber auch die Ladezeit der Akkus.
  

Akkus wollen gepflegt werden
NiCd-Akkus haben eine geringe Selbstentladung, dafür besitzen sie ein so genanntes "Gedächtnis", den Memoryeffekt. Werden sie nicht vollständig entladen, nimmt ihre Kapazität mit der Zeit ab. NiCd-Akkus verlangen genaue Lade- und Entladezyklen. NiMH-Akkus haben keinen Memoryeffekt, dafür ist ihre Selbstentladung höher. Beide Akkutypen dürfen nicht tiefentladen werden.

Interessant sind an dieser Stelle Gold-Caps, Ladungsspeicher ohne Memoryeffekt und Selbstentladung, die allerdings für uns (noch) zu teuer sind.

Damit die Akkus bei fehlender Sonne nicht durch die Solarzelle entladen werden, wird eine Diode vorgeschaltet, die den Strom nur in eine Richtung durchlässt. Hierfür wird eine Shottky-Diode, z.B. Typ SB130, verwendet. Im Gegensatz zu den gängigen Siliziumdioden beträgt der Spannungsabfall bei dieser Diode nur 0,3 Volt.

Ein Anzeigeinstrument mit mittiger Nulllage zeigt an, ob der Akku durch die Sonne geladen wird. Mit Hilfe des Instruments lässt sich das Solarmodul optimal ausrichten. Wenn keine Sonne scheint, schlägt der Zeiger in die entgegengesetzte Richtung, sobald der Radiobaustein eingeschaltet wird.

Nie mehr Batterien… - unser Radio spielt von allein, eigentlich sind wir fertig. Doch die Messungen zeigen, dass unser Solarmodul mit dem Radiobaustein nicht ausgelastet ist.

Wir nehmen daher eine Erweiterung in Angriff, die uns Lautsprecherempfang bescheren soll.

Der Experimentierkasten
Im Winter bot eine Lebensmittelkette einen Solarbaukasten für 25,- E
an, der neben vielen Kleinteilen (Solarmotor, Widerstände, Transistoren) ein Steckbrett, einen Radiobaustein und ein passendes Solarmodul (2 Volt) enthielt. Wir benutzten dieses Material, um Versuchsaufbauten zu entwickeln und zu testen.
  

Die Schaltung
Wir verwenden einen Transistor, der in der Lage ist, Ströme so zu verstärken, dass statt des Kopfhörers ein Lautsprecher betrieben werden kann.
Der Lautsprecher wird an den Kollektor des Transistors und den Pluspol der Quelle angeschlossen. Ein Widerstand zwischen Basis und Pluspol sorgt für den optimalen Arbeitspunkt, d.h. eine möglichst verzerrungsfreie Wiedergabe. Gleichzeitig beeinflusst er den Ruhestrom des Transistors.
Den Radiobaustein schließen wir über einen Kondensator an die Basis des Transistors an. Der Kondensator ist in der Lage, das Wechselstromsignal vom Kopfhörerausgang zum empfindlichen Basisanschluss des Transistors gelangen zu lassen, gleichzeitig schützt er aber diesen vor Gleichspannungen.

Für eine Lautstärkeregelung braucht man noch ein Potentiometer.

Der einstufige Transistorverstärker zeigt bereits beachtliche Wirkung und ist wegen des geringen Aufwands besonders für Anfänger geeignet. Es besteht die Möglichkeit, auf Lochrasterplatten den Aufbau vorzunehmen, aber auch ein Holzbrett mit Heftzwecken als Lötstützpunkte tut gute Dienste.

Beim Lautsprecher gilt die Devise: Je größer, desto besser. Im Prinzip ist jedes Modell geeignet, das man beispielsweise auch aus einem alten Computer, Radio oder Kasettenrecorder recyceln kann. Bisweilen zeigen Pappröhren von Küchenrollen erstaunliche akustische Wirkungen und verwandeln manchen Lautsprecherzwerg in ein kleines Schallwunder.

Stromsparen mit Hightech
Da wir die Energie der Sonne effektiv nutzen wollen, sind wir mit der Schaltung unseres Transistorverstärkers noch nicht zufrieden. Der Strombedarf ist zu hoch, auch wenn wir uns mit geringer Lautstärke zufrieden geben.

Abhilfe schafft eine integrierte Schaltung, ein so genannter "Chip", mit der "Hausnummer" TA7368 (z.B. Elektonikversand Reichelt für 0,43 E). Dieser liefert bei 3 V Betriebsspannung noch eine genügend hohe NF-Ausgangsleistung von 120 mW. Die Schaltung ist einfach und kommt mit wenigen externen Bauteilen aus. Auf Lochrasterplatten haben wir eine Anordnung gebaut, die wir mit sechs Anschlusspins in das Steckbrett unseres Experimentierbaukastens integrieren können. Auf diese Weise sind Tests und quantitative Messungen möglich.
Mit Hilfe eines Tongenerators und eines Oszilloskops kontrollieren wir die Funktion der Schaltung.

Wir hoffen, dass durch diesen Bericht die Lust geweckt wurde, selbst ein Solarradio zu bauen. Viele Details wären noch zu erzählen, z.B. dass wir natürlich wissen wollten, wie der Radiobaustein innen aussieht. Wir entschlossen uns, das Gerät zu zerlegen und danach unserem Solarradio ein neues Gehäuse zu spendieren.

Handreichungen aus der Praxis sind hilfreich, um zu einem funktionsfähigen Solarradio zu gelangen. Manche Probleme zeigen sich allerdings erst beim praktischen Tun.

Alles, was noch zu berichten wäre, würde hier den Rahmen sprengen. Aus diesem Grund haben wir uns entschlossen, im Internet einen Werkraum anzubieten, in dem wir unser Projekt präsentieren. Die von Schülerinnen und Schülern geschriebenen Seiten schildern Erfahrungen bei der Entwicklung des Solarradios. Diese werden in überschaubaren Stationen dargestellt, welche zum Nachbau einladen sollen. Tipps und kleine Tricks werden verraten. Die Anzahl der Seiten wächst mit jeder AG-Stunde, weil wir regelmäßig unsere Experimente protokollieren.

Der Werkraum ist interaktiv, d.h. interessierte Solarradiotüftler können sich anmelden, Fragen stellen und eigene Ideen veröffentlichen. Außerdem gibt es ein Forum mit aktueller Hilfestellung, falls etwas auf Anhieb nicht funktioniert.

Die interaktive Arbeit wird durch "Lehrer-Online" ermöglicht, einer Internet-Plattform, die es erlaubt, mit Schülerinnen und Schülern in virtuellen Klassenräumen zu arbeiten. Es gibt vielfältige Kommunikationsmöglichkeiten, eine gemeinsame Dateiablage sowie einen Homepagegenerator, der auf einfache Weise mit minimalem Aufwand an Administration die Gestaltung von Internetseiten durch die Teilnehmer der Arbeitsgruppe erlaubt.