Hallo liebes Forum, ich bin ein (leider noch nicht so erfahrener) Elektrotechnik-Student. Zur Zeit mache ich ein Praktikum und meine Aufgabe ist die Entwicklung eines Prototypen. Hier eine kurze Beschreibung: Ein Hebel, der mit der Hand bedient wird, soll elektrische Energie erzeugen, die dann im Anschluss einen MCU betreiben soll. In einem weiteren Schritt soll dieser dann Signale an ein in der Nähe befindliches anderes Gerät senden. Dazu ist das Speichern der Energie nötig, damit die Übertragung abgeschlossen werden kann. Die Komponenten sollten nicht zu teuer sein (10-50€). Als Vorbild habe ich die Dynamo-Taschenlampe, die bereits in Beitrag "Dynamo Taschenlampe" besprochen wurde, gewählt. Mein Ansatz: Ich nehme einen Hebel und verbinde ihn über eine Zahnstange und Zahnräder mit einem kleinen DC-Motor. Den Motor verbinde ich über einen Gleichrichter (4 Dioden) mit einem Kondensator, um die Energie zu speichern. Mit dem günstigsten MSP430-LaunchPad, das ich mithilfe der Energie aus dem Kondensator betreibe, sende ich ein Signal mit dem "Bluetooth Low Energy Booster Pack" Für einen ersten Test, habe ich einfach das Innenleben der Lampe verwendet. Das funktioniert auch, jedoch ist die erzeugte Energie mit 60mJ (mit einem 22mF ElKo) bei 20 Sekunden pumpen zu gering, um den MCU zu betreiben. Verwende ich stattdessen meinen DC-Motor ohne Schwungrad erhalte ich lediglich 0,5mJ. Berechnet habe ich das nach der Formel W=0,5*C*V² mit V der Spannung, die nach dem Aufladen des Kondensators zur Verfügung steht. Meine Fragen: Hat jemand Erfahrung mit solchen selbst gebauten Getrieben für Stromerzeugung? Wo bekomme ich solche kleinen Zahnräder und -stangen her? Wie befestige ich sie am besten? Ist ein DC-Motor für unter 10€ von Farnell besser als der rotierende Magnet über einer Spule in der Taschenlampe? Gibt es Generatoren mit einem besseren Wirkungsgrad (mit Neodym-Magneten?)? Ist ein Superkondensator für diese Aufgabe geeignet? Ich habe verschiedene Experimente (0,22F, 0,33F, 1F) durchgeführt, war aber ein wenig verwirrt aufgrund der anderen Lade- und Entladecharakteristik. Außerdem war die gespeicherte Gesamtenergie geringer, dafür das Bauteil aber wesentlich kleiner. Was ist der effizienteste Weg, die Spannung von derzeit 0,5-2V in eine annehmbare Betriebsspannung für den MSP430 zu wandeln? Vielen Dank schon jetzt für Eure Hilfe!
Marvin schrieb: > Für einen ersten Test, habe ich einfach das Innenleben der Lampe > verwendet. Das funktioniert auch, jedoch ist die erzeugte Energie mit > 60mJ (mit einem 22mF ElKo) bei 20 Sekunden pumpen zu gering, um den MCU > zu betreiben. Verwende ich stattdessen meinen DC-Motor ohne Schwungrad > erhalte ich lediglich 0,5mJ. größeren Elko verwenden! Das Teil sollte weit mehr wie 60mJ liefern können. Bei 20s Pumpen wären das ja nur 3mW Generatorleistung!
@ Marvin (Gast) >Ich nehme einen Hebel und verbinde ihn über eine Zahnstange und >Zahnräder mit einem kleinen DC-Motor. Den Motor verbinde ich über einen >Gleichrichter (4 Dioden) mit einem Kondensator, um die Energie zu >speichern. So in etwa. >Für einen ersten Test, habe ich einfach das Innenleben der Lampe >verwendet. Das funktioniert auch, jedoch ist die erzeugte Energie mit >60mJ (mit einem 22mF ElKo) bei 20 Sekunden pumpen zu gering, um den MCU >zu betreiben. Wieviel Strom für welche Zeit braucht dein MSP430 + Außenbeschaltung. >Hat jemand Erfahrung mit solchen selbst gebauten Getrieben für >Stromerzeugung? Ich nicht. > Wo bekomme ich solche kleinen Zahnräder und -stangen >her? Wie befestige ich sie am besten? Ich würde die Taschenlampe so nehmen wie sie ist und das Innenleben durch deine Schaltung ersetzen. Billiger ein einfacher bekommst du es nicht hin. >Ist ein DC-Motor für unter 10€ von Farnell* besser als der rotierende >Magnet über einer Spule in der Taschenlampe? Das ist im Prinzip das Gleiche, aber je nach Aufbau ist der Wirkungsgrad verschieden. > Gibt es Generatoren mit einem besseren Wirkungsgrad (mit Neodym- >Magneten?)? Die gibt es sicher, aber selten zum Nulltarif. >Ist ein Superkondensator für diese Aufgabe geeignet? Ja. Aber nimm den richtigen Typen! Die alten Goldcaps haben mehrere Dutzend Ohm Innenwiderstand, die sind hier nur sehr bedingt brauchbar. Die neueren Typen haben Innenwiderstände unter 1 Ohm, da kann man sowohl schnell und stark laden als auch entladen. >Was ist der effizienteste Weg, die Spannung von derzeit 0,5-2V in eine >annehmbare Betriebsspannung für den MSP430 zu wandeln? Mit einem Step-Up Schaltregler. Aber ehe man das angeht, versucht man lieber die Generatorspannung so hoch zu kriegen, daß man die nötige Spannung direkt erzeugen kann. Als Gleichrichterdioden nutzt man z.B. Schottkydioden, die haben weniger Spannungsabfall. GGf. nutz man auch keinen Brückengleichrichter sondern eine Verdopplerschaltung, die bringt nicht nur die doppelte Spannung sondern auch weniger Spannungsabfall, weil immer nur eine Diode in Reihe liegt. Vielen Dank schon jetzt für Eure Hilfe!
Hey, vielen Dank für die Informationen! Ich habe mit einem Multimeter den Strom über die VCC Versorgung zu maximal 3,8mA und die Spannung zu 3,55V abgelesen, was dann einer Maximalleistung von 13,5mW entspricht. Leider kann ich noch nicht sagen, wie lange der MSP im Normalbetrieb laufen wird und wie lange er schlafen soll. Daher kann ich noch nicht so viel dazu sagen. Der Elko ist bei 22mF schon recht groß (von den Ausmaßen), aber wenn du meinst, werde ich mal noch einen größeren besorgen :) Das mit der Verdopplerschaltung werde ich mir mal näher ansehen, vielen Dank! Hat noch jemand einen Tipp, wie ich möglichst viel Energie aus der mechnischen "Pumpbewegung" in den Kondensator bekomme? Ich habe schon viel im Internet gesucht, aber komme immer nur auf Windkraft-Foren, die Bauteile einer anderen größenordnung verwenden oder allgemeine Informationen wie den Unterschied zwischen Dynamos und DC-Motoren.
Marvin schrieb: > Energie aus der > mechnischen "Pumpbewegung" Darin dreht nichts, sondern der Magnet taucht in die Spule ein, kommt an der anderen Seite wieder raus und muss wieder nach oben, zurück durch die Spule gebracht werden? Warum nicht eine einfache Kurbel an einen Fahrraddynamo schrauben, warum muss es das alte Rein-Raus-Spiel sein?
Die Pumpbewegung resultiert leider aus der Anwendung, die z.B. eine einhändige Benutzung fordert. Nichtsdestotrotz wird die Pumpbewegung durch Verwendung eines Schwungrades in eine rotatorische Bewegung umgewandelt, wie in Beitrag "Dynamo Taschenlampe" zu sehen. Kurbel macht mehr Sinn, ist aber hier nicht gewollt ;)
@ Marvin (Gast) >Ich habe mit einem Multimeter den Strom über die VCC Versorgung zu >maximal 3,8mA und die Spannung zu 3,55V abgelesen, OK, das ist ja relativ moderat. Ist da auch alles mit drin, auch dein Funkmodul? >Maximalleistung von 13,5mW entspricht. Leider kann ich noch nicht sagen, >wie lange der MSP im Normalbetrieb laufen wird und wie lange er schlafen >soll. Daher kann ich noch nicht so viel dazu sagen. Schlecht. Dann das bestimmt maßgeblich die Größe des Energiespeichers. >Der Elko ist bei 22mF schon recht groß (von den Ausmaßen), aber wenn du >meinst, werde ich mal noch einen größeren besorgen :) Niemand spricht von einem normalen Elko, sondern von einem Superkondensdator. Sowas hier! http://de.rs-online.com/web/p/doppelschicht-kondensatoren/7637839/ >Hat noch jemand einen Tipp, wie ich möglichst viel Energie aus der >mechnischen "Pumpbewegung" in den Kondensator bekomme? Miß doch erstmal mit einem normalen Widerstand, wie hoch die Ausgangsleistung deines Generators ist. Wenn die wirklich sehr klein sein sollte (was ich kaum glaube), DANN kann man weiter nach Verbesserungen suchen. Ich tippe mal, daß der Generator mindestens 100mW Ladeleistung bringt. Denn in diesen Taschenlampden sind meist 3 weiße LEDs mit je 20mA in Parallelschaltung drin, macht ~3,3V*60mA ~ 200mW. D.h. die Ladeleistung ist mehr als 10xhöher als der Verbrauch der Schaltung.
Ah danke, ich habe das Bluetooth Modul noch nicht gekauft. Das ist erst mal der Verbrauch des IC mit LED-Blinker-Programm. (Ich weiß, nicht die beste Referenz aber für den Anfang. Ich war bisher davon ausgegangen, dass der Energiespeicher nicht die limitierende Größe ist, sondern die erzeugte el. Energie. Ich habe mit 1F Supercaps experimentiert, aber die Spannung war dann nur 0,33V, was einer Energie von 53mJ Entspricht, also unter den mit dem normalen Elko gespeicherten 60mJ. Aber du hast recht,die Generatorleistung ist sicherlich hilfreich. Um die beiden Generatoren (DC-Motor und in Lampe eingebauter rotierender Magnet über Spule) zu vergleichen habe ich sie an meinen Dremel angeschlossen und den Strom durch einen 1,5kOhm Widerstand gemessen. Ich war mir nicht sicher ob der DC-Motor AC-Strom erzeugt, darum mal beide Messungen (Multimeter) Hier die Ergebnisse: DC-Motor: 0,5mA AC, 1mA DC Spule+Magnet: 4,3mA AC (denke das ist dann RMS auf dem Multimeter?) Jedenfalls würde das von Hand sicher nicht so schnell drehen wie mit dem Dremel auf niedrigster Stufe, dessen Geschwindigkeit ich leider nicht kenne. Die Leistung für die Spule im zweiten Fall ist dann P=I*I*R=4,3mA*4,3mA*1,5kOhm= 27,7mW Die 3 LEDs leuchten nach Herstellerangaben auch nur für eine Minute wenn 3 Minuten gepumpt wurde, also kommt das in eine öhnliche Größenordnung. Hat jemand noch eine Idee?
Ich werfe für diese Anwendung einfach mal EnOcean in die Runde. Dort wird ein µC und Sender mit der Energie eines Tastendrucks (120-210 μJ) betrieben. Übrigens haben normale Doppelschichtkondensatoren einen bescheidenen Innenwiderstand. Wahrscheinlich bekommst du diese mit ein paar Sekunden Kurbeln einfach nicht geladen. Normale Elkos sind hier deutlich besser.
Ja die Geräte von EnOcean sind schon sehr interessant. Ich habe hier ein Energy Harvesting Modul und einen Transmitter. Bei Betätigung wird ein kurzer Spannungspuls erzeugt, der ausreicht, ein Signal an einen Empfänger zu senden, der 30m entfernt ist. Wenn ich das richtig sehe, basiert das ganze auf ZigBee, kann aber auch sein, dass das ein "enocean-standard" ist. Leider kann ich damit aber nur wenige Informationen übertragen, nämlich die Geräte-ID, die Schalterstellung und 2 weitere Bits (wenn ich das richtig verstanden habe). Leider kostet ein Transmitter so 25€. Danke für den Tip mit den Kondensatoren, das bestätigt/liefert eine Erklärung für meine Messung. Jedenfalls hatte ich mir überlegt, dass aus dieser Pumpbewegung doch irgendwie mehr Energie kommen muss, als aus diesem kleinen EnOcean Klicker.
Marvin schrieb: > Jedenfalls hatte ich mir überlegt, dass aus dieser Pumpbewegung doch > irgendwie mehr Energie kommen muss schneller pumpen :)
@ Marvin (Gast) >ich habe das Bluetooth Modul noch nicht gekauft. Das ist erst mal der >Verbrauch des IC mit LED-Blinker-Programm. (Ich weiß, nicht die beste >Referenz aber für den Anfang. Naja. Das kann und muss man noch viel verbessern, siehe Sleep Mode. >Ich war bisher davon ausgegangen, dass der Energiespeicher nicht die >limitierende Größe ist, sondern die erzeugte el. Energie. Warum? Du kannst doch viel mehr Energie erzeugen, wenn du länger pumpst. >Ich habe mit 1F Supercaps experimentiert, aber die Spannung war dann nur >0,33V, was einer Energie von 53mJ Entspricht, also unter den mit dem >normalen Elko gespeicherten 60mJ. Dann hast du zu wenig geladen. >angeschlossen und den Strom durch einen 1,5kOhm Widerstand gemessen. Ich >war mir nicht sicher ob der DC-Motor AC-Strom erzeugt, Ein DC-Motor erzeugt pulsierenden Gleichstrom, denn er hat einen Kommutator, sprich einen mechanischen Gleichrichter. Aber ohne eine Diode wirst du da kaum glücklich werden, denn dann fließt in den Pumppausen der Strom aus dem Kondensator wieder in den Generator und verschwindet als Wärme ;-) > darum mal beide >Messungen (Multimeter) >Hier die Ergebnisse: >DC-Motor: 0,5mA AC, 1mA DC >Spule+Magnet: 4,3mA AC (denke das ist dann RMS auf dem Multimeter?) Nur bei normalem Sinusstrom. >Die Leistung für die Spule im zweiten Fall ist dann >P=I*I*R=4,3mA*4,3mA*1,5kOhm= 27,7mW Nicht so dolle, aber die Messung ist auch nur eine Schätzung. >Die 3 LEDs leuchten nach Herstellerangaben auch nur für eine Minute wenn >3 Minuten gepumpt wurde, also kommt das in eine öhnliche Größenordnung. Scheint so.
@ Marvin (Gast) >Jedenfalls hatte ich mir überlegt, dass aus dieser Pumpbewegung doch >irgendwie mehr Energie kommen muss, als aus diesem kleinen EnOcean >Klicker. Richtige Schaltung + richtig messen.
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Hier mal schnell ein paar Bilder von meiner Lampe + Messung. Der Generator ist ein supereinfacher AC-Generator ohne Schleifkontakte. Beim normalen Pumpen mit ca. 1 Hz hat man ca. 2,9V/15mA Ausgangsleistung an den LEDs (gemessen in Reihe zum Schalter). Die Ladeleistung ist wahrscheinlich höher, hab ich aber jetzt nicht gemessen, müsste man sinnvollerweise auch mal mit dem Oszi messen.
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Bearbeitet durch User
Vielen Dank Falk, leider soll die Ladezeit möglichst 20 Sekunden nicht übersteigen. Ich habe eine ähnliche Lampe. Die von dir gepostete Schaltung scheint eine Greinacher Schaltung, also auch eine Spannungsverdopplung zu sein. Ich versuche das dann nochmal mit dieser Schaltung am Oszi zu messen :)
@ Marvin (Gast)
>leider soll die Ladezeit möglichst 20 Sekunden nicht übersteigen.
Eben dazu braucht man erstmal eine brauchbare Abschätzung und Festlegung
der benötigten Energiemenge!
Wenn ich 20s mit vielleicht 20mA lade (20mAs), kann ich ca. 400s lang
1mA entladen, abzüglich Wirkungsgrad.
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