Hallo Forum,
Ich erinnere mich, schon vor 20 Jahren Taschenrechner in Innenräumen
benutzt zu haben, die mit einer 3 Quadratzentimeter großen Solarzelle
betrieben wurden. Das ließ die folgende Idee aufkommen: Ein
Mikrocontroller, der nur bis zu 10 Minuten im Monat 24mA verbraucht und
sonst abgeschaltet ist, soll von einer Solarzelle + LiIonakku versorgt
werden. In der Theorie müsste monatlich 8 Stunden ein halbes Milliampere
geladen werden. Dies müsste in einem Raum ohne direkte
Sonneneinstrahlung funktionieren, was bei dem eingangs erwähnten
Taschenrechner auch der Fall war.
Allerdings hat mich jetzt ein Youtube-Beitrag desillusioniert.
https://www.youtube.com/watch?v=ttyKZnVzic4
bei 9:26 Minuten. Selbst draußen wird dort abends mit einem relativ
großen Modul keine Energie mehr gewonnen. Mein eigener Versuch mit einer
8cm x 6cm großen Zelle mit 6 Volt Nennspannung ergab an direkt berührtem
LED-Leuchtmittel mit 9 Watt (entsprechend 60W Glühlampe) einen
Kurzschlussstrom von 8 mA. Mittags konnte ich mit dieser Zelle in einem
Raum mit großem Fenster keinen Strom (Auflösung 10µA) nachweisen, der in
einen angeschlossenen LiIon Akku (3,7V 18650) geflossen wäre.
Die ernüchternde Erkenntnis: Vor zwanzig Jahren konnte ich mit 3
Quadratzentimeter Solarzelle einen Taschenrechner dauerhaft betreiben,
sobald schummriges Licht zum Lesen da war. Heute gelingt es mit einer
deutlich größeren Zelle bei deutlich hellerem Licht nicht, genug Strom
für einen Microcontroller zu gewinnen.
Hat im Forum jemand andere Erfahrungen gemacht und einen Controller von
einer Solarzelle in Innenräumen speisen lassen? Wenn ja, wie?
Nimm doch eine explizite Stromspar-CPU, dann kommst du bei einem
Verbrauch von wenigen μA schon sehr weit. Da ist dann sogar dauerhafte
Anzeige auf einem LCD-Display noch drin. Schau dir mal das Datenblatt
von Atmels SAML21 und SamL22 mit LCD-Treiber an. Wenn du es geschickt
anstellst, kommst du mit einem 200-300 Segment Display bei dauerhafter
Anzeige noch unter 2μA/h. Das geht dann auch mit deiner Mini-Solarzelle.
Die amorphen&billigen Solarzellen von einem Taschenrechner sind auf <500
Lux ausgelegt.
Ein 5V Solarpanel bringt bei 100 Lux <0,1 % vom Nennkurzschlußstrom, und
2 V Leerlaufspannung...
Herbert He. schrieb:> Die ernüchternde Erkenntnis: Vor zwanzig Jahren konnte ich mit 3> Quadratzentimeter Solarzelle einen Taschenrechner dauerhaft betreiben,> sobald schummriges Licht zum Lesen da war. Heute gelingt es mit einer> deutlich größeren Zelle bei deutlich hellerem Licht nicht, genug Strom> für einen Microcontroller zu gewinnen.
Dein Taschenrechner hatte vermutlich auch kein WLAN und auch keine
Stromaufnahme von 350mA beim Senden. Auch ein ESP8266 oder ESP32 lässt
sich stromsparend betreiben, indem man ihn bspw. ausschaltet wenn er
nichts zu tun hat. Ein E-Paper Display hält trotzdem die Anzeige
aufrecht.
Beitrag "TTGO T5: ESP32-Modul mit ePaper-Display"
Herbert He. schrieb:> Die ernüchternde Erkenntnis
Du verstehst also vielleicht, welche Leistung das damals war.
Das geht auch noch heute. Aber nicht mit einem Arduino.
CMOS sind quasi alle Microcontroller heute, und LiIon Akkus erlauben
Langzeitspeicherung, du musst also nur 10*0.024/60/24/30=6uA im Schnitt
einsammeln. Bei 100 lux reicht dazu eibe Solarzelle die mit 6mA angegen
ist. Allerdings muss man die Selbstentladung der LiIon berücksichtigen
und den Stromverbrauch der Akkuüberwachung, beides sollte auch nur
wenige Mikroampere betragen.
Ein Lithiumbatterie wie CR2032 mit 230mAh hält in so einer Schaltung 5
Jahre. Daher gibt es solche Solarzellenrechner heute nicht mehr.
Herbert He. schrieb:> Mittags konnte ich mit dieser Zelle in einem> Raum mit großem Fenster keinen Strom (Auflösung 10µA) nachweisen, der in> einen angeschlossenen LiIon Akku (3,7V 18650) geflossen wäre.
Dann ermittele mit einem verstellbaren Lastwiderstand, was Deine Zelle
leistet. Abhängig davon müssen dann zwei oder drei in Reihe, um die
Spannung zu erreichen. Ich halte Dein Projekt für realisierbar, aber Du
musst halt 4 Volt erreichen, um den LiIon nachladen zu können.
stromverdichter schrieb:> Nimm doch eine explizite Stromspar-CPU,Wolfgang schrieb:> Dein Taschenrechner hatte vermutlich auch kein WLAN und auch keine> Stromaufnahme von 350mA beim Senden.
Hat einer von Euch beiden Schnarchnasen die Frage gelesen? Herbert hat
den Strombedarf ziemlich präzise umrissen!
Manfred schrieb:> Hat einer von Euch beiden Schnarchnasen die Frage gelesen? Herbert hat> den Strombedarf ziemlich präzise umrissen!Herbert He. schrieb:> Heute gelingt es mit einer> deutlich größeren Zelle bei deutlich hellerem Licht nicht, genug Strom> für einen Microcontroller zu gewinnen.
Wer fasst sich jetzt an die eigene Scharchnase;-)
MaWin hat es doch schon vorgerechnet. In der Praxis verwende ich den
SAML22 auch an einem LCD-Display bei unter 3 uA. Das kann man schon so
machen, egal ob mit Knopfzelle, oder Solarzelle + Kondensator/Akku
Herbert He. schrieb:> Ich erinnere mich, schon vor 20 Jahren Taschenrechner in Innenräumen> benutzt zu haben, die mit einer 3 Quadratzentimeter großen Solarzelle> betrieben wurden.
Viele hatten aber noch eine langlebige Batterie mit drin.
Hab bei meinem FX-115M (BJ ~'88) anstatt einen Goldcap (0,47F)
eingebaut.
Einen Funkwecker mit 50F und 2x2cm Solarzelle ausgerüstet. Läuft voll
aufgeladen (max. 1,8V sonnst Uhr put, also NUR 0,8V zum arbeiten) ~7Tage
in völliger Dunkelheit. Läuft seit gut 1J in einem hellen Zimmer, ohne
Unterbrechungen.
In einen Goldcap lässt sich wesentlich einfacher Energie rein pumpen,
als in ein einen LiPo ö.ä.
µCs arbeiten teils von ~1,8V-6V.
Wär vielleicht ne Überlegung wert.
Manfred schrieb:> Hat einer von Euch beiden Schnarchnasen die Frage gelesen?
Ja, sonst hätte ich nicht geschrieben:
Wolfgang schrieb:> Auch ein ESP8266 oder ESP32 ...
Die Solarzelle liefert einen bestimmten mittleren Strom und der
mittlere Bedarf der betriebenen Schaltung darf diesen nicht
überschreiten - also heißt es, viel schlafen und so kurz wie möglich
aufwachen, wenn man sich ab und zu einen kräftigen Schluck genehmigen
möchte/muss.
Herbert He. schrieb:
>Mittags konnte ich mit dieser Zelle in einem>Raum mit großem Fenster keinen Strom (Auflösung 10µA) nachweisen, der in>einen angeschlossenen LiIon Akku (3,7V 18650) geflossen wäre.
Und wie hoch ist die Spannug die hier von der Zelle erzeugt wird?
Es müssen ja erst mal die 3,7V erzeugt werden bevor überhaupt
ein Ladestrom fließen kann. Vielleicht mal mehrere Zellen in
Reihe schalten.
Die alten Taschenrechner waren übrigens kaum nur solarbetrieben.
Zumindest alle die ich hatte, waren nach 2-3 Jahren, im Haus kaum noch
zu erkennen und wenn man mit der Hand über der Zelle lag, gings sofort
aus.
Nur im Sonnenschein lieferten die Zellen genug. Deswegen haben doch noch
Knopfzellenbatterien drin.
Moin,
Beim Stromsparen werden auch oft heimliche Verbraucher übersehen.
Offensichtlich wäre z.B. ein Spannungsteiler einer Spannungsmessung.
Insgesamt 100k an 4V sind schon 40µA.
Leckströme von Elkos.
Leckströme von Dioden.
Wenn man das alles nicht beachtet und sich die µA läppern, nützt es
nichts, den µC in den einstelligen µA-Bereich schlafen zu legen.
Gruß,
Norbert
Ich muss offensichtlich die Aussage aus dem Originalposting noch einmal
präzisieren, da sie wohl missverstanden wird.
Herbert He. schrieb:> Ein Mikrocontroller, der nur bis zu 10 Minuten im Monat 24mA verbraucht
Die 24 mA sind den Tönen und Licht geschuldet, die die am
Microcontroller angeschlossene Peripherie erzeugen soll und sich nicht
minimieren lässt.
Herbert He. schrieb:> und sonst abgeschaltet ist,
... mit einem Schaltkontakt - dem besten Stromsparmechanismus, den es
gibt.
Insgesamt brauchen wir hier also nicht über Stromsparmechanismen am
Microcontroller zu reden, sondern nur über solche am Laderegler wie sich
unten zeigen wird.
Ich habe die laut dem Video am effizientesten arbeitende LiIon Lade- und
Schutzschaltung verwendet, nämlich den "TP 4056 protected". Link:
https://www.ebay.de/itm/2Stks-5V-Micro-USB-1A-18650-Lithium-Battery-Charger-Board-Module-TP4056-TE420-MT/273013359973?hash=item3f90dd4565:g:MLIAAOSw05taUILP
Die Spannung der Solarzelle zu erhöhen, ist vermutlich keine gute Idee,
da der Laderegler nicht mehr als 8 Volt aushält, wenn doch mal die volle
Sonne da ist und zudem die Ladung bei vollem Akku abgeschaltet ist.
Auch ein Superkondensator mit ein paar Faraden, die bei der
beschriebenen Anforderung (10 Minuten lang 24mA bei minimal 2V) nötig
wären, müsste vor Überspannung geschützt werden und dürfte somit nicht
direkt an der Solarzelle hängen.
Der Laderegler hat getrennte Anschlüsse für Eingang, Akku und Ausgang,
an denen ich den Strom messe. Ich muss am Eingang mit der Solarzelle
mindestens 1200µA liefern, damit 1 µA in den Akku zu fließen beginnen.
Nachdem ich die Lade LED entfernt habe, musste ich am Eingang "nur" noch
150µA aufwenden, damit der Akku 1 µA sah. Dabei ist 150 µA weit weniger,
als was die Solarzelle in einem Raum liefert.
Es bräuchte also einen Laderegler, der darauf optimiert ist, auch wenige
µA aus der Solarzelle an den Akku weiter geben zu können. Offenbar
können das so betriebene Taschenrechner auch.
Irgendwelche Vorschläge für solch einen Laderegler?
Herbert He. schrieb:> Dabei ist 150 µA weit weniger,> als was die Solarzelle in einem Raum liefert.
Das Umgekehrte war gemeint. Der Satz hätte heißen müssen: "Dabei liefert
eine Solarzelle in einem Raum weit weniger als 150 µA."
Herbert He. schrieb:> Das Umgekehrte war gemeint. Der Satz hätte heißen müssen: "Dabei liefert> eine Solarzelle in einem Raum weit weniger als 150 µA."
Der gelieferte Strom wird von der Größe der Solarzelle abhängen ;-)
Herbert He. schrieb:> Ich habe die laut dem Video am effizientesten arbeitende LiIon Lade- und> Schutzschaltung verwendet, nämlich den "TP 4056 protected". Link:> Ebay-Artikel Nr. 273013359973
Wie kommt man auf DEN Quatsch.
Hat deine Solarzelle etwa einen USB Stecker ?
Das Ding braucht das hundertfache.
Ja, Microleistungsschaltungen zu entwerfen ist nicht einfach, aber das
haben Japaner vor 50 Jahren hinbekommen, das kann doch nicht so wenig
verstanden werden.
1
BAV99
2
+--|>|----+------+------+
3
| | | |
4
Solarzelle 4V3 LiIon uC
5
| | | |
6
+---------+------+------+
Bleibt die Frage, wer bei so niedrigen Strömen den 4V3
Überspannungsschutz bildet. Ein TL431B jedenfalls nicht. Ich mag den
ICL7665, aber selbst der will 5uA inkl. Spannungsteiler. Man nimmt wohl
MCP65R41.
MaWin schrieb:> Microleistungsschaltungen zu entwerfen ist nicht einfach, aber das> haben Japaner vor 50 Jahren hinbekommen
Japaner sind ja sowieso kleiner, denen fällt das leichter.
Ich hätte da mal eine Frage etwas zum Thema passend:
Wieso lassen sich viele Mikrocontroller um 1uA oder weniger schlafen
legen, mit zig tausend Transistoren, und im Gegensatz haben typische
vergleichsweise lächerliche HCMOS wie z.B ein 74HC164 mit nur wenigen
Transistorstufen +10uA Leckstrom im statischen Betrieb bei 5V? Gibt es
zugängliche Literatur zum Thema? Irgendwie finde ich das interessant.
Ein uC wie ein AVR ist doch prinzipiell auch HCMOS, oder nicht? Wie
schafft der Hersteller es mit den vielen zusätzlichen Schaltstufen
diesbezüglich fertig zu werden?
Wer weiß was darüber? Vielleicht lohnt sich ein neuer Thread darüber.
Mfg,
Gerhard
Herbert He. schrieb:> "TP 4056 protected"
TP4056 ist nicht schlecht, aber hat 150..500µA Eigenverbrauch, die der
Akkuladung verloren gehen.
> Die Spannung der Solarzelle zu erhöhen, ist vermutlich keine gute Idee,> da der Laderegler nicht mehr als 8 Volt aushält, wenn doch mal die volle> Sonne da ist und zudem die Ladung bei vollem Akku abgeschaltet ist.
Du hast es nicht verstanden: Die Spannung der Solarzelle muß höher
werden.
Die Leistung insgesamt wird überschaubar bleiben, eine 5V6-Z-Diode
parallel würde sicher genügen, den 4056 zu schützen.
Setze endlich eine Meßreihe auf,
Beitrag "Re: Microcontroller mit Solarzelle betreiben" - ohne Spannung
kein Strom.
Herbert He. schrieb:> Das Umgekehrte war gemeint. Der Satz hätte heißen müssen: "Dabei liefert> eine Solarzelle in einem Raum weit weniger als 150 µA."
Die von mir verwendete Dünnschicht-Solarzelle (4 Segmente) von 4cm²,
liefert im Schnitt ~180µA. Empirisch ermittelt über den Verbrauch.
Nur nutze ich auch noch wenige pA und verheizte sie nicht schon, bevor
sie bei Speicher u. Verbraucher ankommen.
Mit all dem Brimborium um den Akku, wird sie Solarzelle wohl deutlich
größer ausfallen müssen.
Ich würde nach einer passenden Solarzelle suchen und es mit dem Schutz
des Akkus nicht übertreiben.
Wenn ich meine Uhr, eine Tag in die volle Sonne stelle, ist sie hinn. :)
Davor könnte ein selbst tönendes Brillenglas schützen, wenn man das
nicht sicherstellen kann.
Herbert He. schrieb:> Ein Mikrocontroller, der nur bis zu 10 Minuten im Monat 24mA verbraucht
Du willst 15Ws speichern?
Verwende deinen µC zur Regelung!
Verbinde z.B. einen atmega328p direkt mit dem Akku, und eine kleine 5V
Solarzelle mit den ADC Portpins & GND.
Laden: Portpins=Out,High
Nicht Laden: Portpins=Out,Low
Messen: Portpins=In
(Ja, die P-FETs leiten in beide Richtungen..)
PS: BMS vorher auf Funktion prüfen!
sunny schrieb:> Verwende deinen µC zur Regelung!>> Verbinde z.B. einen atmega328p direkt mit dem Akku, und eine kleine 5V> Solarzelle mit den ADC Portpins & GND.>> Laden: Portpins=Out,High> Nicht Laden: Portpins=Out,Low> Messen: Portpins=In
Im Prinzip gut und richtig, es reicht Laden mit Entladeschutz (Input
über Schutzdiode) und Kurzschliessen der Solarzelle (Ausgang Low) denn
gemessen wird VCC gegen die interne Referenz, aber er verwendett LiIon
und mit der internen Referenz kann ein uC seine Versorgungsspannugn und
damit die Akkuspannung nicht so genau messen, wie es für LiIon nötig
wäre.
Zudem schreibe er, daß er den uC mit einem richtigen Schalter abklemmen
wollte (was man ja noch ändern könnte).
sunny schrieb:> Herbert He. schrieb:>>> Ein Mikrocontroller, der nur bis zu 10 Minuten im Monat 24mA verbraucht>> Du willst 15Ws speichern?
=> 48 mAh pro Jahr ist ja nun nicht wirklich viel - ein CR2032 o.ä. ist
da wohl die bessere Wahl.
Li+ Akkus halten auch nicht ewig..
Manfred schrieb:> TP4056 ist nicht schlecht, aber hat 150..500µA Eigenverbrauch, die der> Akkuladung verloren gehen.
Der TP4056 ist weniger geeignet, weil im CC-Modus Uin meist deutlich
größer als Ubat ist.
Der mcp73831 z.B. ist da besser.
tux schrieb:> Der TP4056 ist weniger geeignet, weil im CC-Modus Uin meist deutlich> größer als Ubat ist.> Der mcp73831 z.B. ist da besser.
Der MCP ist ebenfalls ein Längsregler, wo siehst Du dessen Vorteile?
MaWin schrieb:> . ..Ich mag den > ICL7665, aber selbst der will 5uA inkl. Spannungsteiler.https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7665.pdf
Den mag ich auch. Tolles Teil und universell einsetzbar.
Eigenverbrauch liegt bei 3µA. Und wenn man den Spannungsteiler mit
erlaubten 10 MOhm (R11) ansetzt, kommen nochmal ca. 0,5µA pro
Spannungsteiler hinzu. Ich meine, damit kann man leben.
Bernd K. schrieb:> MaWin schrieb:>> . ..Ich mag den > ICL7665, aber selbst der will 5uA inkl. Spannungsteiler.> https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7665.pdf>> Den mag ich auch. Tolles Teil und universell einsetzbar.> Eigenverbrauch liegt bei 3µA.
Gabs den vor ~2-3J noch nicht bei Reichelt?
Den muss ich mir mal näher zu Gemüte führen. Da gibts eventuell
Nachholbedarf. :)
Um einen Mikrocontroller mit einer Solarzelle zu betreiben gibt es nach
meiner Meinung nur sehr wenig Möglichkeiten:
1. Eine sehr große Solarzelle.
2. Einen Harvester mit einem Puffer.
3. Eine regelmäßig zu ersetzende Batterie.
4. Eine exzellente Ausnutzung der Schlaffunktionen.
Wenn ich aber lese, das irgend jemand einen Längsregler verwendet, so
kann ich nur sagen: "Das Design ist in die Hose gegangen".
Wenn überhaupt, sollten für das Herumschubsen von Spannungspegeln
ausschließlich Step-Up oder -down Regler verwendet werden.
Es gibt da ein paar recht interessante ICs.
Die meisten Harvester-Schaltungen bestehen aus drei Hauptkomponenten:
1. Ein Step-Up, der schon mit sehr geringen Spannungen auskommt.
Gefüttert von der Solarzelle.
2. Ein Puffer. Akku, HiCap oder so, vom Step-Up mit sinnvoller
Spannung versorgt.
3. Ist die Pufferspannung nicht zufällig OK, ein Step-Up bzw. Step-Down
für die Arbeitsspannungsanpassung.
Übrigens: So toll sind die Low-Energy CPUs auch nicht. In den meisten
Fällen beruht deren "Low" auf ausgeklügelten Abschaltmechanismen, bei
denen der größte Teil des Grüblers stillgelegt wird.
Müssen die Teile letztendlich arbeiten, so sieht die Energiebilanz
plötzlich ganz anders aus.
Hier gilt einfach: Von nichts kommt nichts.
Bernd K. schrieb:> https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7665.pdf> Den mag ich auch. Tolles Teil und universell einsetzbar.> Eigenverbrauch liegt bei 3µA.
Aus dem Datenblatt: "Microprocessor Voltage Monitor with Dual
Over/Undervoltage Detection ... The ICL7665 warns microprocessors (µPs)
of overvoltage and undervoltage conditions"
Toller Käfer, aber jedenfalls kein LADEregler.
Sebastian S. schrieb:> Wenn ich aber lese, das irgend jemand einen Längsregler verwendet, so> kann ich nur sagen: "Das Design ist in die Hose gegangen".
Ja, eine Solarzelle überschaubarer Leistung schlägt man per
Shuntregler tot.
Was Dir auch einen Strich durch die Rechnung macht ist Deine effiziente
Innenraumbeleuchtung. LEDs und Energiesparlampen haben ihre hohe
Effizienz daher, dass sie (fast) nur im sichtbaren Bereich des Spektrums
strahlen, während Glühbirnen ihre Leistung über das gesamte Spektrum
verteilt abgeben. Solarzellen aus Silizium können dank der recht kleinen
Bandlücke alles Licht unterhalb einer Wellenlänge von ca. 1100 nm
verwerten und sind dabei im Infraroten besonders effizient, im
sichtbaren Bereich schon garnicht mehr so besonders. Das erklärt auch
Deine Erfahrungen mit dem Taschenrechner von vor 20 Jahren: Die erwähnte
schummrige Glühbirne hat nämlich sehr viel Infrarotlicht abgegeben.
Damit will ich jetzt nicht sagen, dass Du Deine LED-Lampe gegen eine
Glühbirne austauschen sollst - die würde ja in 0,3 s das zusätzlich
verbraten, was Deine Schaltung in einem Monat verbraucht. Ein Test mit
Beleuchtung durch eine Glühbirne (falls Du sowas noch hast) wäre aber
interessant.
Eine Möglichkeit, Deine Beleuchtung besser auszunutzen, wäre eine
Solarzelle mit größerer Bandlücke zu verwenden. Die hätte zwar auch nur
die geringe Strahlungsleistung zur Verfügung, kann aber den sichtbaren
Teil des Spektrums effizienter nutzen.
Im Moment kommen dafür nur organische Solarzellen in Frage, die man zwar
nur von wenigen Herstellern, aber dafür teilweise sogar extra für die
Benutzung in Innenräumen ausgelegt bekommt.
Was gibt es denn bei Deinem Projekt an Anforderungen an Größe, Aussehen
und Aufstellort?
