Solarzelle > Batterie > NCP1400 > 5V Out

[honsey (Gast)]

Hallo,

ich möchte versuchen meinen Mikrocontroller (ATmega8) mit einer 
Akkugepufferten Solarzelle zu betreiben.

Auf der Sparkfun-Seite habe ich eine Schaltung gefunden, die eigentlich 
genau meine Wünsche erfüllen sollte, aber leider nur 3.3V ausspuckt. Den 
dort verwendeten NCP1400 gibt es auch in einer 5V-Ausführung. Allerdings 
wird der hier anders beschaltet (andere Werte).

Sparkfun-Schaltung:
http://www.olimex.com/dev/pdf/MSP430-SOLAR.pdf

NCP Datasheet:
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0b36/0900766b80b3609e.pdf

Ich habe jetzt mal versucht beide Schaltungen zu kombinieren und 
vielleicht könnt ihr ja mal nen Blick draufwerfen, ob das so i.O. ist.

Einige Fragen habe ich als blutiger Anfänger aber schonmal vorweg:

1) Was muss ich bei der Wahl der Solarzelle beachten? Bei Sparkfun 
verwenden sie z.B. eine 2.4V/80mA Zelle um eine AA Zelle zu laden.
Wenn ich nun eine 5V Solarzelle nehme, was muss ich dann noch vor die 
Batterie schalten?

2) Warum sind da eine normale und eine Schottky-Diode in Reihe 
geschaltet?

3) Eingangskondensator C1 sollte laut NCP Datenblatt eigentlich 10uF 
haben, bei Sparkfun verwenden sie aber 47uF – Warum? Glättet nicht schon 
der Akku die Eingangsspannung?

4) Die Spule L1 wird in der Sparkfun-Schaltung mit 100uH spezifiert - 
laut NCP Datenblatt sollte da aber irgendwas von 16 - 27uH sein. Ich 
habe jetzt mal die im Datenblatt als Standardlösung vorgeschlagenen 22uH 
verwendet.

5) Sind beide Ausgangskondensatoren C2 und C3 nötig oder reicht auch nur 
C3?

6) Was ist die Aufgabe von Spule L2?


Hoffe ihr könnt mir ein paar Sachen erklären!

Vielen Dank schonmal & Schöne Grüße,
Hans

[Markus H. (cairol)]

*1.* Wenn du den Mega8 nicht ganz so hoch taktest (-> siehe Datenblatt) 
kannst du ihn auch mit 3,3 Volt betreiben. (gilt nur für die 
"8L"-Variante) Dann brauchst du garnichts ändern.

Sonst halt ne Solarzelle mit etwas mehr Spannung nehmen (3V oder so. 
zwischen 3V und 5V wird's eh keine fertigen Typen geben)
Mir gefällt die Schaltung aber nicht all zu gut, denn die Spannung wird 
erst hinter der Pufferbatterie geregelt.
Die Solarzelle liefert aber nicht konstant 2,4 Volt, sondern kann auch 
mal nur 1 Volt oder auch 3,x Volt liefern - abhängig von der 
Einstrahlung und der Belastung. Das ist also nicht optimal zum Laden des 
Akkus. Mal bekommt er zuviel Spannung, mal zu wenig.

Ich würde da eher den umgekehrten Weg wählen: Ne Solarzelle mit 
vielleicht 12V nehmen und dann direkt mit nem Step-Down-Wandler auf 5V 
stabilisieren.
Mit den 5 Volt kann man dann z.B. ein 4x1,2V = 4,8V - Akkupack laden als 
Puffer.

*2.* Die Zelle liefert 2,4 Volt und der AA-Akku hat 1,2 Volt. Die 1,2 V 
die zuviel von der Solarzelle kommen, werden durch ne normale Si-Diode 
(0,7 Vf) und ne Schottky (ca. 0,5V Vf) = zusammen ca. 1,2 V 
Spannungsabfall, vernichtet.
Außerdem verhindern die Dioden, dass sich der Akkus über die Solarzelle 
entläd, wenn gerade keine Sonne drauf scheint.

*3.* C1 und L1 bilden einen LC-Tiefpass der die Eingangsspannung 
glättet.
C1 sollte man also schon drin lassen.
Zur Kapazität von C1 -> siehe Punkt 4

*4.* Das hängt mit o.g. LC-Filter zusammen. Dessen Grenzfrequenz hängt 
von den Werten von L und C ab.
Vergrößert man L1, verkleiner man eben dazu passend C1, so dass die 
gewollte fg wieder erreicht wird.

$$fg = \frac{1}{2*\pi*\sqrt{L \cdot C}}$$

In bestimmtem Rahmen kann man da also jonglieren.
Oft macht man den Kondensator größer und die Spulen eher kleiner, weil 
Spulen immer ne ziemliche störende Baugröße haben und Kondensatoren 
trotz höherer Kapazität relativ klein gehalten werden können von der 
Bauform her.

*5.* C2, L2 und C3 bilden zusammen einen LCL-Tiefpass der die 
Ausgangsspannung glättet.
Der MSP ist ja n Schaltregler der mit ca. 180 kHz arbeitet.
Deshalb glättet man die Ausgangsspannung nicht mit einem simplen 
Kondensator, sondern mit einem Filter 1. oder 2. Ordnung. ein LCL-Filter 
ist sozusagen ein Filter 1,5ter Ordnung - Unwissenschaftlich 
ausgedrückt...

Beim Platinen-Design muss man hier aber schon ganz ordentlich aufpassen, 
denn 180 kHz verlangen ein gewisses EMI-bedachtes Layout.

[Hansi C. (honsey)]

Vielen Dank Markus! Ich hab es zumindest ansatzweise Verstanden :)

Ich werde mich jetzt doch ziemlich nah an der Vorlagenschaltung halten, 
mit dem einzigen Unterschied, dass ich 5V statt 3.3V Ausgangsspannung 
haben möchte.

Im Anhang findet ihr meinen Versuch in EAGLE. Sollte ich es riskieren, 
das mal zu ätzen?

PS: Markus erwähnte ja auch, dass man vorsichtig sein muss beim 
Platinenlayout. Ich bin Anfänger und meine einzige Waffe gegen 
EMI-Probleme ist die Massefläche. Kann man mit Through-Hole-Komponenten 
die Schaltung überhaupt zuverlässig aufbauen? Abseits davon: Lohnt es 
überhaupt mal einen Trockentest auf dem Steckbrett zu starten?

[Hansi C. (honsey)]

Im letzten Layout war noch ein Fehler mit dem Groundplane. Im Anhang die 
korrigierte Version (Ausserdem bessere Lötstellen für Solarzelle, 
Batterie und 5V-Ausgang)

[Hansi C. (honsey)]

Als Solarzelle habe ich im übrigen diese hier bei Conrad rausgesucht: 
191308 (4V/35mA)

Ich möchte dann damit zwei AA Batterien laden, z.B. diese hier: 250132 
(1.2V/1800mA)

Harmoniert das in meiner Schaltung?

Dankeschön…

[Hansi C. (honsey)]

Mittlerweile hab ich ein bisschen weiter recherchiert und möchte mich 
Rückversichern, ob ich das alles richtig verstanden habe:

Angenommen ich nehme die oben erwähnten NiMH-Akkus mit je 1.2V und 
1800mA Kapazität:

Ich habe gelesen, dass für eine relativ einfache Ladung der Akkus, ohne 
sich Gedanken um das Überladen zu machen, die Zellen mit einem Strom von 
C/20 bis max. C/10 geladeden werden können.

Schalte ich die Akkus in Reihe habe also 2.4V / 1800mA, macht C/1 = 1.8. 
Der Ladestrom sollte dann also zwischen 90mA und 180mA liegen.

Wenn ich jetzt 3 Solarzellen 0.5V/200mA von Conrad (191267) in Reihe 
schalte, können diese maximal 200mA bei 1.5V liefern. In freier Wildbahn 
dürfte ich damit sehr gut fahren, oder?

…

Mir fällt gerade auf, dass die beiden Dioden aus der Schaltung oben ja 
schon 1.2V vernichten… vielleicht doch lieber 4 Solarzellen 4V/35mA 
(191308) parallel schalten? Dann resultieren 4V/150mA – minus der 1.2V 
von den Dioden blieben 2.8V zum Laden der Akkus

Entschuldigt, dass ich hier jetzt alles zumülle mit meinen Gedanken, 
aber vielleicht nimmt sich mir ja jemand an und kann mir weiterhelfen.

Dankeschön & Schöne Grüße aus Berlin,
Hans

[Markus H. (cairol)]

In meinem Post weiter oben sind zwei Fehler:

>*5.* C2, L2 und C3 bilden zusammen einen LCL-Tiefpass der die
>Ausgangsspannung glättet.

Es ist natürlich kein LCL- sondern ein CLC -Filter in der Schaltung. 
Sonst wäre es ja ein Hochpass - der hier nix zu suchen hat.

>ein LCL-Filter ist sozusagen ein Filter 1,5ter Ordnung - Unwissenschaftlich
>ausgedrückt...

Das war nicht nur "unwissenschaftlich" ausgedrückt, sondern falsch.
Ein LCL-Filter (bzw. wie in der Schaltung gezeigt ein CLC-Tiefpass) ist 
natürlich ein Filter 3. Ordnung... =XD


Wie schon erwähnt - mir gefällt die Schaltung nicht besonders weil die 
Ladespannung der Akkus sonstwo liegen kann.

Deine Überlegungen vom letzten Post sind soweit in Ordnung.
Nur eben die erwarteten 2,8 V Ladespannung empfinde ich als 
problematisch.
Bei den Dioden davor ist der Spannungsabfall außerdem vom Stom abhängig 
der durchfließt. Man kann also nicht fix mit 1.2 V rechnen die verheizt 
werden.
Alles nicht so schön imho...

Mit dem "EMI-bedachten Layout" wollte ich dir keine Angst machen.
Bei solchen Reglern hat der Hersteller i.d.R. im Datenblatt eine 
Anwendungssschlatung mit Design-Hinweisen abgedruckt.
Wenn man sich einigermaßen an dieses Design hält (also z.B. das manche 
Bauteile möglichst nahe an anderen liegen müssen, oder manche Leitungen 
kurz gehalten werden müsen ect.) klappt das auch.

[Miro D. (intercop)]

hat einer vielleicht ne bezugsquele für dem ncp?