Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Energieversorgung Arduino-Fahrzeug mit Solarmodul und Super-Caps


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von Kai S. (kai_s7)


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Hallo,
ich habe für ein Projekt folgende Schaltung entwickelt.
Ich verwende Super-Caps und ein Solarmodul.
Hoffe auf Hinweise und Tipps, ob die Schaltung grob so ist, wie ich sie 
mir vorstelle.

Die Zeichnung ist im Anhang.

Mein Projekt:
Ich baue ein Fahrzeug, welches eine Route abfährt und von einem Arduino 
gesteuert wird.
Für die Energieversorgung sorgt ein Solarmodul.
Super-Caps, parallel zum Fahrzeugantrieb, sorgen für eine 
kontinuierliche Energieversorgung.

Es handelt sich um ein kleines Projekt, weswegen es keinen Sinn macht, 
dafür zu sorgen, dass alle Kondensatoren gleich beladen werden.
Das Fahrzeug wird nicht sehr oft im Einsatz sein.

Danke.

: Verschoben durch Moderator
von THOR (Gast)


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Kai S. schrieb:
> Es handelt sich um ein kleines Projekt, weswegen es keinen Sinn macht,
> dafür zu sorgen, dass alle Kondensatoren gleich beladen werden.

Mach jeweils 100kOhm Widerstände parallel, dann gleichen sich die 
Ladungen an wenn das Ding unbenutzt in der Ecke liegt.


Zum Schaltplan:

- Die Diode ist entbehrlich. Wenn das Fahrzeug nicht oft benutzt wird, 
entlädt sich eh alles.
- 9V 100mA ist keine aussagekräftige Information zu einem Solarmodul. 
Sind das jetzt MPP Werte? Dann 9Vmpp 100mAmpp schreiben + 
Leerlaufspannung Voc
- Es fehlt eine Angabe zu Rarduino, mit Sicherheit wird der nicht direkt 
mit 12V laufen und die Stromaufnahme wäre auch noch interessant bei 
0,9Wp.

von Kai S. (kai_s7)


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THOR schrieb:
> Kai S. schrieb:
>> Es handelt sich um ein kleines Projekt, weswegen es keinen Sinn macht,
>> dafür zu sorgen, dass alle Kondensatoren gleich beladen werden.
>
> Mach jeweils 100kOhm Widerstände parallel, dann gleichen sich die
> Ladungen an wenn das Ding unbenutzt in der Ecke liegt.
>
>
> Zum Schaltplan:
>
> - Die Diode ist entbehrlich. Wenn das Fahrzeug nicht oft benutzt wird,
> entlädt sich eh alles.
> - 9V 100mA ist keine aussagekräftige Information zu einem Solarmodul.
> Sind das jetzt MPP Werte? Dann 9Vmpp 100mAmpp schreiben +
> Leerlaufspannung Voc
> - Es fehlt eine Angabe zu Rarduino, mit Sicherheit wird der nicht direkt
> mit 12V laufen und die Stromaufnahme wäre auch noch interessant bei
> 0,9Wp.

Ich habe nun ein anderes Solarmodul ausgewählt:

http://www.watterott.com/de/3W-Solar-Panel-138X160

Die maximale Leistung soll etwa 3W betragen, bestehend aus einer 
maximalen Ausgangsspannung von 6,4V bei einem Strom von 540mA.
Leider gibt es kein Datenblatt dazu.

Aufgrund der niedrigeren Spannung wird das Arduino direkt daran laufen.

Meine Hauptfrage ist, ob die Paralellschaltung so korrekt ist. Habe 
nähmlich die Befürchtung, dass die produzierte Solarleistung öfters die 
Kondensatoren auflädt, statt das Fahrzeug anzutreiben.

Danke für jeden Hinweis.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Achte bitte auf die Leerlaufspannung des Moduls, die liegt dann auch 
tatsächlich am Arduino an?

Zu den Kondensatoren hast du noch gar nichts geschrieben, bspw. über 
ihre Spannungsfestigkeit oder Kapazität. Ich erkenne da eine 
Reihenschaltung in deinem Schaltplan, allerdings keine Einschaltschwelle 
oder irgendeine Form der Kontrolle, ob ausreichend Energie vorhanden 
ist.

Bei wenig Licht läuft das so: Die Solarzelle lädt die Kondensatoren bis 
zu einer Spannung so um die 3V, der Arduino geht an, steuert ein 
bisschen und schaltet vielleicht einen Motor an. Der zieht nun die 
Kondensatoren leer und alles geht aus. Die Solarzelle lädt die 
Kondensatoren bis zu einer Spannung so um die 3V…

Superkondensatoren braucht es dafür nicht, vielleicht ein paar 4700µF 
Pufferkondensatoren, falls das Fahrzeug mal unter dem Tisch durch muss. 
Soetwas wie mittlerer Strombedarf und Impulsstrombedarf wäre noch 
interessant. Ansonsten rate ich zu einer Akkuzelle und einer 
Reset-überwachung, die nur bei ausreichend Ladung den Arduino aktiviert.

von Harald W. (wilhelms)


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THOR schrieb:

> - 9V 100mA ist keine aussagekräftige Information zu einem Solarmodul.

Diese Werte hat das Modul, wenn man es mit einem starken Scheinwerfer
bestrahlt. :-)

von THOR (Gast)


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Harald W. schrieb:
> THOR schrieb:
>
>> - 9V 100mA ist keine aussagekräftige Information zu einem Solarmodul.
>
> Diese Werte hat das Modul, wenn man es mit einem starken Scheinwerfer
> bestrahlt. :-)

Und es dabei auf 25°C hält.

Aber "diese Werte" ist allein schon irreführend. Welche Werte sinds denn 
überhaupt.

Wenns Voc und Isc sind, sind Sie nutzlos. Wenn Sie Vmpp und Impp sind, 
sind sie nützlich, aber es fehlen noch Angaben.

Kai S. schrieb:
> Leider gibt es kein Datenblatt dazu.

Einfach: 11 Zellen in Reihe ergibt 11*0,5V = 5,5Vmpp und 11*0,7= 7,7Voc.

Die Leute bei Watterot sind scheinbar leicht verwirrt:

-Die typische offene Kreisspannung beträgt ca. 5V
-viel Sonne, kann die Spannung bis zu 10V
- Typische Spannung: 5,5 V
-  Leerlaufspannung: 8,2V
-  Max. Ausgangsspannung: 6,4V

Geil, fünf Spannungsangaben! Da weiss man doch, was man hat!

Ich würde von Vmpp = 5,5V, Voc = 8V und Impp = 800mA ausgehen. Jeweils 
unter Standardbedingungen.
Du ziehst also idealerweise gute 8W raus, mit fehlender 
Leistungsanpassung, schräger Bestrahlung und AM = 2 eher 5-6W.

Ich würds so machen:

- Du schaltest alles so zusammen wie in deinem Eingangspost beschrieben. 
Ohne Diode hast du 0,7V mehr. Oder du nimmst eine mit sehr geringer 
Vorwärtsspannung. BAT46 fällt mir ein, die hält aber den Strom nicht 
aus.

- Du lässt deinen Arduino ständig die Eingangsspannung messen (per 
Analog Comp oder ADC) und regelst die Motoren runter, sobald 5V 
unterschritten werden.

Dann fährt das Fahrzeug bei wenig Sonne halt langsamer. Wenn du das 
nicht tust, tritt die beschriebene Oszillation ein:

Boris O. schrieb:
> Bei wenig Licht läuft das so: Die Solarzelle lädt die Kondensatoren bis
> zu einer Spannung so um die 3V, der Arduino geht an, steuert ein
> bisschen und schaltet vielleicht einen Motor an. Der zieht nun die
> Kondensatoren leer und alles geht aus. Die Solarzelle lädt die
> Kondensatoren bis zu einer Spannung so um die 3V…

Wobei die Oszillationsfrequenz durchaus im hohen Hertz bis kHz Bereich 
liegen kann sodass die Motoren nur etwas rumsummen und der Arduino 
ständig neu bootet.

von Harald W. (wilhelms)


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Boris O. schrieb:

> Bei wenig Licht läuft das so: Die Solarzelle lädt die Kondensatoren bis
> zu einer Spannung so um die 3V, der Arduino geht an, steuert ein
> bisschen und schaltet vielleicht einen Motor an. Der zieht nun die
> Kondensatoren leer und alles geht aus. Die Solarzelle lädt die
> Kondensatoren bis zu einer Spannung so um die 3V…

Nennt man sowas nicht "Stop and go-Verkehr"? :-)

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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THOR schrieb:
> - Du lässt deinen Arduino ständig die Eingangsspannung messen (per
> Analog Comp oder ADC) und regelst die Motoren runter, sobald 5V
> unterschritten werden.

Ein laufender Arduino zieht auch ca. 20mA, schon allein der unbekannten 
Linearregelung wegen, den USB-Controller nicht vergessen. Bei 
Zimmerlichtstärke von 100lx und weniger, im Vergleich zu 1.000lx bei 
bewölkter Außenwelt und 100.000lx bei Sonnenschein, bringt das Panel 
u.U. nicht einmal die und schon gar keine 5V.

Die Diode muss rein, sonst entlädt sich der Puffer durch das Panel, wenn 
es dunkel ist. Ansonsten beharre ich auf meiner Puffer-Lösung und 
Freigabe des Controllers durch externe Beschaltung. So eine 
Überwachungsschaltung, bspw. NCP301 on OnSemi oder STM1001 oä. ziehen 
nur ca. 1µA. Die meisten werden in 100mV-Schritten gefertigt, so dass 
ziemlich exakt bei der richtigen Ladungsmenge eingeschaltet wird, bspw. 
3,7V (…und 1F Gesamtkapazität lässt genug Reserve für 1-2min solide 
Rechnung).

Die Überspannung würde ich mit einem Quer- oder Shuntregler erledigen, 
wobei wir allerdings beim Problem der Spannungsangaben sind. Da es sich 
nur um ein 3W-Panel handelt, ist das aber nicht so schlimm, da brauchts 
keinen Maximum Power Point (, denn allein die erforderliche Leistung, 
den zu finden, lohnt den Mehrertrag nicht). Einfach hart bei 5V kappen, 
d.h. Z-Diode, Transistor, Kollektor-Widerstand und Wärme erzeugen. 
Stichwort: Power-Z-Diode und richtig rechnen: Z-Spannung+UBE=5V.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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THOR schrieb:
> Wobei die Oszillationsfrequenz durchaus im hohen Hertz bis kHz Bereich
> liegen kann sodass die Motoren nur etwas rumsummen und der Arduino
> ständig neu bootet.

Dem möchte ich widersprechen, da es sich um SuperCaps handelt – 
zugegeben macht es unbekannte Kapazität nicht leicht. Aber man kann 
ziemlich gut abschätzen, welche Frequenz sich ergibt, wenn man bspw. 1F 
mit 1-10mA lädt um bis 3V zu kommen (1,8V des ATMega328P, 
Verpolschutzdiode, Linearregler und evtl, da das Arduino-Modell 
unbekannt ist, eine Reset-Schaltung). Anschließend nehme ich einfach 
weniger als eine halbe Sekunde, um mit dem Anlaufstrom der (ebenfalls 
unbekannten) Motoren die Spannung auf unter 1,8V zu bringen, was den 
ATmega sicher abwürgt.

von THOR (Gast)


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Boris O. schrieb:
> Dem möchte ich widersprechen, da es sich um SuperCaps handelt –
> zugegeben macht es unbekannte Kapazität nicht leicht. Aber man kann
> ziemlich gut abschätzen, welche Frequenz sich ergibt, wenn man bspw. 1F
> mit 1-10mA lädt um bis 3V zu kommen

Ja, diese Frequenz ist nämlich von dem Ladestrom abhängig und damit 
beliebig hoch.

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