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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsumschaltung Solar/Batterie


Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Ich verwende einen kleinen ATTiny 85 um die Temperatur an einem DS1820 
auszulesen. Dieser wird von einer Stützbatterie und einer Solarzelle 
gespeist. Der ATTiny soll seinen Strom aus der Solarzelle beziehen (das 
Ding liefert genug Strom, ist etwas größer). Seitens der Controllerseite 
ist mir alles klar, jedoch suche ich nun nach einer Möglichkeit, die 
Batterie so wenig wie möglich zu belasten, also den Controller so lange 
per Solar zu betreiben, wie diese Solarzelle genug Spannung liefert. 
Sollte die Solarspannung zu gering werden, soll die Batterie weiter 
Spannung liefern. Hat jemand eine Idee wie man das in einer Schaltung 
lösen könnte? Für den einfachen Fall würde mir schon eine Umschaltung 
für die Zustände "Strom auf Solarzelle" und "Kein Strom auf Solarzelle" 
reichen, Also eine Umschaltung auf Batteriespannung bei abfall der 
Spannung an der Solarzelle.

Schonmal vielen Dank für eure Antworten,

Gruß Jonas

Autor: Tobias (Gast)
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Welche Spannung liefert denn die Solarzelle und welche Spannung hat die 
Batterie?

Autor: Stefan M. (celmascant)
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Klassischer Anwendungsfall für einen Schmitt-Trigger.
Ein kleiner OPV mit ein paar Widerständen und evtl einem Trimmer reicht 
aus.
Das Problem sehe ich nur bei der Umschaltung der Spannung. Da dürfen für 
den MC keine Unterbrüche entstehen! Wenn du schnell genug schaltest (per 
Transistor), kannst du die Spannung für die Schaltzeit einfach mit einem 
Elko puffern. Bei Relais wird es schwierig, wenn der Elko nicht utopisch 
gross sein soll.

Du könntest auch mit einem ADC-Kanal (falls einer frei ist) die Spannung 
überwachen und dann umschalten wenn sie zu niedrig wird. Dann sparst du 
dir ein paar Bauteile.

Gruss Stefan

Autor: Klaus2 (Gast)
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zwischenpuffern mit goldcap, rest dann per adc und zeitschwelle (wegen 
kurzer schatten etc), kleiner mosfet und zwei schottky dioden reichen 
dann ja.

Klaus.

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Danke für eure schnellen Antworten :-)
Akkupack liefert 4,8V (NiMH), Solarzelle 6V 0,3A.
Relais oder sowas ist nicht nötig, sind ja keine "Lasten" zu schalten. 
Mir kommt es darauf an, dass die Schaltung im Batteriebetrieb nur 
verschwindend gering Eigenbedarf an Strom hat. Was Bei Solarbetrieb 
passiert ist schlichtweg egal, die Solarzelle liefert auch bei bewölktem 
Himmel noch genug. Laden werde ich das Akkupack vom Controller gesteuert 
- einfach einen transi zwischen Solarzelle und Akku und dann per 
Impulsverfahren alle paar Sekunden die Zellenspannung abfragen bis die 
Ladeschlussspannung erreicht ist.

Puffern werde ich sowieso, das umschalten kann gut und gerne eine 
Sekunde beanspruchen ohne das die Kondensatorspannung zu niedrig wird, 
bin also für alle Vorschläge offen.

Hat jemand etwas Literatur zu diesen Schmitt-Triggern? Habe mit sowas 
noch nie gearbeitet, über einen Link würde ich mich sehr freuen.

Gruß Jonas

Autor: Uli (Gast)
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Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Ja den Wikipedia-Artikel blättere ich auch schon seit zwei stunden
durch. Im Prinzip verstehe ich es so, dass ich eine Spannungsgrenze
habe, an der der Schmitt-Trigger seinen Zustand verändert.

Der Trigger selbst verbraucht (so stand es in einigen Datenblättern) ja
nur wenige mikroampere, kann also ununterbrochen aus der Batterie
gespeist werden? Dann stelle ich nur noch die Schaltstufe bei 3V ein und
dann schaltet er bei unterschreitung der 3V ein.

Ich habe mit folgendes gedacht:
Man schalte die Solarzelle mit einer Diode dauerhaft auf den Eingang des
Mikrocontrollers, wenn nix kommt passiert auch nix. Und dann parallel
noch einen Schmitt-Trigger, welcher bei unterschreiten der 3V an der
Solarzelle über einen Transistor die Batteriespannung auf den Eingang
des MC gibt. Der MC-Eingang ist natürlich über einen GoldCap gepuffert.

Wäre das so zu realisieren?
Wenn ja, könnte mir jemand einen Schmitt-Trigger nennen, den ich bei
Reichelt bekomme, der ab 3V läuft und mir auch noch einen Tipp für die
Beschaltung geben? Der eine Eingang des Triggers bekommt dann ja, so
verstehe ich das, die 3V über einen Spannungsteiler (oder eine Z-Diode?)
und der andere liegt an der Solarzelle. Bei Spannungsabfall schaltet der
Trigger mit seinem Ausgang einen Transi durch welcher den MC mit
batteriespannung weiter versorgt.

Würde mich über Antworten sehr freuen

gruß Jonas

Autor: Axel-Düsendieb (Gast)
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warum nicht beide Spannungsquellen mittels Dioden auf die Schaltung 
loslassen. Wenn die Solarzelle die höhere Spannung hat, wird sie schon 
den Strom liefern.

Die ganze Umschalterei wird nur Probleme machen und weitere Leistung 
verbraten.


Axel

Autor: Esko (Gast)
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Je nach Größe des Akkus kannst du die Solarzelle auch direkt per Diode 
auf die Batterie geben. µC dann direkt an den Akku.
Eine Überladung mit C/20 ist absolut unkritisch, mit C/10 auch nicht so 
wild.

Ob geladen wird kannst du dann mit zwei ADC-Pins herausfinden, die per 
Spannunsteiler die Spannung von Solarzelle un Akkupack messen.

Autor: Stefan M. (celmascant)
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Wie meine Vorredner schon sagten ist das auch eine gute Möglichkeit.
Das funktioniert dann wie im Auto mit Akku und Lichtmaschine 
(/Alternator)
Solange die Solarzelle Strom liefert, wird der Akku geladen bis er voll 
ist.
Danach wird der Strom soweit zurückgenommen, das der Akku sich durch die 
Last nicht entlädt.
Wenn die Solarzelle keine Spannung liefert, werden die Verbraucher 
direkt aus dem Akku versorgt.
Du müsstest also so etwas wie einen Laderegler bauen.
per ADC-Kanal die Akkuspannung und die Solarzellenspannung überwachen.
Die Akkuspannung darf, solange die Solarzelle was liefert, nicht 
abfallen, muss also der Ladeendspannung entsprechen.

Zum Thema Schmitt-Trigger bzw. generell OPV's habe ich aus meiner Lehre 
eine sehr gute Unterlage. Da ist alles sehr schön Erklärt! Ich habe sie 
mal in den Anhang gepackt. Ist leider gedreht, stört mich persönlich 
aber nicht^^

Der Schmitt-Trigger besteht im Wesentlichen aus dem OPV und 2 
Widerständen.
Ein Widerstand (R1) vom Ausgang an den positiven Eingang.
Ein zweiter Widerstand (R2) vom positiven Eingang des OPV zu der 
Spannung die du Überwachen willst.
Am anderen OPV-Eingang einfach ein Trimmer als Spannungsteiler. Dort 
kannst du dann die Schaltspannung einstellen.
Das Verhältniss von R1 zu R2 bestimmt die Hysterese. Je hochomiger R1 
ist (in Bezug auf R2), je kleiner wird die Hysterese.

Gruss Stefan

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

@Stefan: genau das habe ich gesucht - habe ich mir erstmal ausgedruckt 
:-)

Also könnte ich es im Prinzip so lösen, dass die Solarzelle dauerhaft 
mit einer Diode am VCC des Mikrocontrollers liegt und dann mit einem ADC 
Pin die Spannung messe? Wenn die Spannung zu niedrig wird, über einen 
Transistor die Spannung des Akkupacks zusätzlich anlegen. ADC Abgriff 
natürlich vor der Diode für eine Korrekte Spannung der Solarzelle.

Das Laden des Akkupacks lasse ich hier einfach mal aussen vor, die 
Schaltung steht schon ;-)

Ich habe meinen Schaltungsaufbau einfach mal als bmp angehängt - so habe 
ich mir das gedacht. Klappt das so?

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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hallo,

bei solchen kleinen solargeschichten lohnt es kaum irgenwas 
umzuschalten.
glaub mir.
im anhang die meines erachtens beste lösung.

gruss klaus

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

klingt doch sehr interessant. Die 5,6V brauche ich als Ladespannung? Ich 
dachte es reichen auch 5V?

Wenn die Solarzelle mit 300mA in mein Akkupack reinhaut, habe ich Angst 
dass der Ladestrom zu hoch sein wird ( ~ C/5 ). Habt ihr Erfahrungen 
damit, auch in Bezug auf Überladung bei diesen Ladeströmen?

Also mein ATTimy verträgt 2,7-5,5V. Reicht es dann also eine 3V Z-Diode 
in Reihe zu schalten? Ich denke dann kann er auch die vier Zellen im 
Pack bis 0,75V leer ziehen, falls es mal lange dunkel bleibt.

Gruß Jonas

Autor: cmb (Gast)
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Ups, fehler selbst erkannt.
Klaus meinte den Spannungsabfall über der Z-Diode.

Aber wie sieht es aus wenn da 5,6V dem Akkupack einheizen und es 
überladen wird? Könnte man den Ladestrom nicht mit einer Drosselspule 
begrenzen?

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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ja ... was ist denn das jetzt mal für ein akkupack ?
nu sag doch mal

gruss klaus

p.s. wenn  du was von 4,8 volt akkupack erzählst, gehe ich zwangsläufig 
davon aus, dass es 4 stck nicad oder nimh sind.  also veranschlage ich 
schonmal mindestens 1,m35 volt je zelle  .....
... das wären dann schonmal 5,4 volt.
.. gleichzeitig erwähnst du eine solarzelle mit 6 volt ...  wobei 
annehme, dass das der betriebswert und nicht die leerlaufspannung ist.
zudem verlieren wir beim laden durch die antiretourdiode auch noch so 
0,2 bis 0,3 volt.

z-dioden gibt es ja nur in gewissen  spannungen. etwas so um die 5,7volt 
halte ich aber da ganz angebracht, da sich das mit der stromproduktion 
der solarzelle und den akkus ganz gut einpendeln wird.

evt. macht es sinn sich eine einstellbare powerzener zu bauen 
(schaltplan kann ich dir geben) damit bei abklemmen des akku die 
zenerdiode und anschliessend der rest gegrillt wird.

gruss

Autor: cmb (Gast)
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Hallo Klaus,

Es ist ein eingeschweißtes Pack von vier NiMH und 1100mAh.
Solarzelle liefert im Leerlauf bis zu 11 Volt. Dauerstrom kann sie 300mA 
bei 6V. Ich denke das Akkupack liefert auch ein wenig mehr, wie du schon 
sagtest.

Denkst du / Denkt ihr eine normale 1,2W Zener hält der Belastung stand?
Der Schaltplan für eine Powerzener würde mich doch sehr interessieren.

Danke schonmal.

Gruß Jonas

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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hallo,

besser als die genannte zenerdiode ist tatsächlich die 
powerzener-schaltun.
da ist man dann auf der sicheren seite und zudem ist die zenerspannung 
genau einstellbar.

anbei die empfohlene schaltung.


gruss klaus

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Erstmal danke für den Schaltplan, diesen werde ich so übernehmen :-)

Aber ich bin auf ein anderes Problem gestoßen:

Der DS1820 hat nur einen Toleranzbereich von 4,5-5,5V
Das bedeutet, ich muss noch einen Step-Up Regler nachschalten muss.

Kann mir jemand eine einfache Schaltung empfehlen, dessen Teile ich alle 
bei Reichelt bekomme?

Ich bin mir unsicher, da ich ja einen großen Spannungsbereich habe, also 
eine Eingangsspannung am Step-Up Regler von 3,5-5,5V schwanken kann. Ich 
benötige aber meine 5V +-0,5V. Ein Starkes Ripple wird dem ATTiny recht 
egal sein, ich denke für den DS1820 sollte aber eine glatte Spannung, 
zumindest von Kondensatoren geglättet anliegen, damit die 1-Wire 
Übertragung vernünftig funktioniert.

Danke schonmal für Tipps

Gruß Jonas

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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das hat ja lange in dir geköchelt, bis du mal dazu sagst.
zur beantwortung deiner neuen frage zitiere ich nochmal
meinen eigenen post vom 18.7.

wenn du die powerzener auf ladeschlusspannung (oder etwas darunter) 
einstellst hast du eine maximalspannung am akku von etwa 5,4 volt.
deine minimalspannung ist kurz untehalb von 4.8V

eigentlich passt das ja zu deinem modul.
wenn du auf nummer "Sicher" gehen willst, knallst du halt noch eine 
schottkydiode zwischen laderegler und schaltung und reduzierst damit den
spannungsbereich um jeweils 0,2 bis 0,35 volt.

deine idee mit dem spannungsregler ist eher kontraproduktiv, da diese 
regler einen eigenstromverbrauch haben. (je nach typ einige 
milliampere).

gruss klaus

ps.
hab gerade mal das datenblatt gelesen.
dein DS1820 kann sowieso in weitem spannungsbereich aebeiten und ich sah 
keinen hinweis darauf, dass die messwerte eine abhängigkeit von der 
versorgung haben.
also mach einfach die schottky an den ausgang , dahinter noch nen 100nF 
und nen 10 bis 100 uF und gut ist.

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Danke du hast recht. Der Sensor kann ja sogar bis 3V runter - ich hatte 
4,5V im Kopf :-)

Dann passt es natürlich mit der Versorgung. Ich baue die Schaltung mal 
auf und teste, ob das Akkupack die Dunkelphasen der Solarzelle 
überbrücken kann. Aber ich denke, selbst wenn die gesamte Schaltung 60mA 
zieht sollte es für die Dunkelphasen reichen. Tut sie nicht, ich weiß, 
aber ich rechne gerne mit extrembeispielen :-)

Danke für deine Hilfe!

Autor: cmb (Gast)
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Hallo,

Ein anderes Problem, auf das ist gestoßen bin:
Ich versuche über einen ADC Pin des ATTiny den Ladezustand des Akkupacks 
zu messen. Leider kann der ja nur bis zur Referenzspannung messen, und 
mit dessen Erzeugung habe ich ein Problem, da die Referenzspannung ja 
zugleich meine Eingangsspannung ist. Über einen Spannungsteiler mit 
2x50kOhm habe ich schon nachgedacht, da ich dann die interne 
Referenzspannung nutzen könnte. Problem: Verlustleistung.

Hat jemand eine bessere Idee zur Erzeugung einer Referenzspannung?

Gruß cmb

Autor: Frank Bär (f-baer)
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Wie reproduzierbar solls denn sein?

Wenns eine einmal-Geschichte ist, dann reicht eine Z-Diodenreferenz mit 
hochohmigem Spannungsteiler (der kann dann ruhig ~1M sein), bei hoher 
Reproduzierbarkeit und Stabilität solltest du über eine 
Bandabstandsreferenz nachdenken. Ohne Spannungsteiler geht in beiden 
Fällen nichts.

Zur Zusammenschaltung: Warum kompliziert, wenns auch einfach geht? Akku 
und Solarzelle über je eine Schottkydiode ranschleifen, dahinter im 
Notfall noch einen LDO zur Spannungsstabilisierung. Damit bist du immer 
im grünen Bereich, der Aufwand an Bauelementen ist marginal, Schottkys 
und LDOs gibts in jedem Krämerladen. Du brauchst 15V reverse-voltage, 
also kannst du eine 10BQ015 dazu nehmen, die reicht völlig aus.

Autor: Josef Huber (Gast)
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habe mal Reset-Bausteine gekauft. Die haben 3 Anschlüsse und es gibt 
solche für viele Spannungen. Der o.Kollektor schaltet ab 0,? Volt nach 
Masse und öffnet >= der angegebenen Spannung. Braucht sehr wenig Strom.
Könnte Dir auch mein Voltmeter verkaufen das hat 2 Eingänge 
(Hauptbatterie/Nebenbatterie), braucht allerdings 100uA (ohne Anzeige 
dann weniger), versorgt sich selbst und geht ab ca. 3 Volt. Ist Die 
Ladespannung höher als XXX, dann schaltet ein Ausgang (zB. für Relais 
150mA). Derzeit betreibe ich dieses mit 12 Volt. Eine kleine 
Programmänderung und es macht 6Volt oder 4Volt, oder so.
Würde Dir aber obrige Lösung empfehlen, weil ich für das Ding immer 
60,--Euro nehme. Abmessungen ca. 30x40x8mm

Autor: Josef Huber (Gast)
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ach ja, mein TMP86FH47, läuft ab ca. 1,8 Volt und schläft die meiste 
Zeit.
Diese Information ist dann auch zum Gähnen.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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hallo cmb,

deine lösung ist einfacher als du denkst.
du musst die interne referenz des prozessors verwenden, da diese ja 
einigermassen stabilisiert und damit unabhängig von vcc ist.
deine batteriespannung führst du dann über einen spannungsteiler an den 
adc.

gruss klaus

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