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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Arduino mit Solar aber ohne Akku betreiben?!


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Autor: Dietmar B. (theq)
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Hallo,

ich wolle einen Arduino Nano mit Solar - aber ohne Akku! - betreiben.

Der Nano wacht alle 30min. kurz auf, macht was für 30ms und geht wieder 
schlafen. Der Stromverbrauch dürfe also im Mittel irgendwo im 
2-stelligen µA Bereich liegen.
Als Akku Ersatz wollte ich einen Kondensator verwenden.

Geht das? Wie müsste man das Solarmodul mit dem Kondensator koppeln? 
Diode zwischen Solarmodul und Kondensator damit das Solarmodul den 
Kondensator nicht entlädt?

Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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Dietmar B. schrieb:
> Geht das?

Im Prinzip schon.

> Wie müsste man das Solarmodul mit dem Kondensator koppeln?

Zwischen Solarpanel und Kondensator muss eine Diode, damit der Strom bei 
Dunkelheit nicht zurück in die Solarzellen fließt.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Dietmar B. schrieb:
> Der Nano wacht alle 30min. kurz auf, macht was für 30ms und geht wieder
> schlafen. Der Stromverbrauch dürfe also im Mittel irgendwo im
> 2-stelligen µA Bereich liegen.
> Als Akku Ersatz wollte ich einen Kondensator verwenden.
> soll die Schaltung möglichst 24/7 laufen?

- mit welcher Spannung wird deine Schaltung versorgt? 3V3 oder 5V?
- in welchem Bereich funktioniert die Schaltung einwandfrei?
- wieviel Strom wird in den aktiven 30ms aufgenommen?
- wieviel Strom in der Ruhezeit?

Prinzipiell kannst Du deine Schaltung über einen C, Diode und Solarzelle 
versorgen. Als C kommt ein Goldcap bzw. ein Supercap in Frage. Die 
Kapazität hängt von der Stromaufnahme ab, und damit auch von der Zeit in 
der die Solarzelle keinen oder nur wenig Strom liefert, also den größten 
Teil eines Tages. Ohne zusätzliche Reglung ist es natürlich wichtig in 
welchem Spannungsbereich die Schaltung einwandfrei funktioniert.

Ich würde die Solarzelle über eine Diode an den C führen. Hinter dem C 
ggf. einen LDO mit sehr geringem Eigenstrombdarf. Der LDO hätte den 
Vorteil das die Schaltung über eine konstante Spannung versorgt würde. 
Nachteil wäre das eine Solarzelle und C gewählt werden müssen die die 
entsprechende Eingangsspannung für den LDO bereitstellen können. Zudem 
muss der C gegen zu hohe Spannung geschützt werden. Goldcap bzw. 
Supercap sind da sehr empfindlich.

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Autor: Guest (Gast)
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Gold oder Supercap könnten schon sehr knapp werden um eine komplette 
Nacht zu überbrücken. Bei dem Zeitraum spielen die Leckströme und 
Betriebsströme auch im µA Bereich schon eine große Rolle. Wenn wir mal 
einen 1F Super Cap bei 5V zugrunde Legen und eine mittlere Stromaufnahme 
von 100µA zugrunde legen fällt die Spannung nach ca. 6 Stunden unter 2V 
(wenn ich mich grade nicht total verrechnet habe?). Und so einen Super 
Cap kannst du auch nicht mit unendlich viel Strom wieder Laden. Mal 
davon abgesehen, dass die meisten nur 2,2V oder sowas in die Richtung 
aushalten und du eine Reihenschaltung machen müsstest was die Kapazität 
mindert.

Was spricht gegen einen kleinen Lithium Akku mit Laderegler da gibts 
doch ein Haufen fertige Sachen und die sind super kompakt?

Autor: Jörg R. (solar77)
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Guest schrieb:
> Gold oder Supercap könnten schon sehr knapp werden um eine komplette
> Nacht zu überbrücken. Bei dem Zeitraum spielen die Leckströme und
> Betriebsströme auch im µA Bereich schon eine große Rolle. Wenn wir mal
> einen 1F Super Cap bei 5V zugrunde Legen und eine mittlere Stromaufnahme
> von 100µA zugrunde legen fällt die Spannung nach ca. 6 Stunden unter 2V
> (wenn ich mich grade nicht total verrechnet habe?).

1F reicht sicherlich nicht aus, aber Supercap gibt es in wesentlichen 
größeren Kapazitäten, ich habe schon welche mit 500F gesehen.


Und so einen Super
> Cap kannst du auch nicht mit unendlich viel Strom wieder Laden. Mal
> davon abgesehen, dass die meisten nur 2,2V oder sowas in die Richtung
> aushalten und du eine Reihenschaltung machen müsstest was die Kapazität
> mindert.

Die Gefahr besteht bei einem kleinen Solarmodul nicht.
Zu Spannung...es gibt welche mit 6V.

Beispiel: 5F, 6V, Leckstrom 30uA:
https://www.reichelt.de/superkondensator-5-0-f-6-v-10-5-x-21-x-31-mm-hy-cap-5-0f-6v-p195676.html?&trstct=pol_17

Preiswert sind die Teile nicht.


Guest schrieb:
> Was spricht gegen einen kleinen Lithium Akku mit Laderegler da gibts
> doch ein Haufen fertige Sachen und die sind super kompakt?

Sicherlich günstiger. Und eine Solarzelle wäre auch hier denkbar.

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Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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Bei so einem Aufbau könnte es zu Startproblemen kommen. Stelle Dir vor, 
es war lange dunkel, alles ist leer. Jetzt kommt gerade genug Licht, um 
die Betriebsspannung zu erreichen. Der µC startet, seine Stromaufnahme 
steigt sprunghaft an und damit bricht die Versorgungsspannung zusammen.

Dafür musst du dir noch eine Lösung ausdenken.

Autor: Aus der W. (Firma: oldeuropesblogs.blogspot.de) (oldeurope)
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Stefanus F. schrieb:
> Dafür musst du dir noch eine Lösung ausdenken.

Ein paar LEDs und ein Transistor.

LG
old.

Autor: User (Gast)
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Moin,

was ist denn da der Unterschied? Einige Gold- oder Super Caps sind doch 
im Prinzip das gleiche wir ein kleiner Akku...

Also häng einen von diesen Mini LiPo-Akkus mit Laderegler dran und 
fertig. Das rumbasteln ist doch murks...

Autor: Jörg R. (solar77)
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User schrieb:
> was ist denn da der Unterschied? Einige Gold- oder Super Caps sind doch
> im Prinzip das gleiche wir ein kleiner Akku...

Quatsch.


Stefanus F. schrieb:
> Bei so einem Aufbau könnte es zu Startproblemen kommen. Stelle Dir vor,
> es war lange dunkel, alles ist leer. Jetzt kommt gerade genug Licht, um
> die Betriebsspannung zu erreichen. Der µC startet, seine Stromaufnahme
> steigt sprunghaft an und damit bricht die Versorgungsspannung zusammen.
>
> Dafür musst du dir noch eine Lösung ausdenken.

Stimmt, das macht es aber aufwendiger, ist aber lösbar. Es hängt auch 
davon ab wie man den C dimensionieren würde. Wenn er groß genug ist kann 
der Zustand der Spannungslosigkeit vermieden werden. Allerdings wird die 
Schaltung dann größer...und teurer. Die Frage ist zudem wieviel Aufwand 
der TO betreiben möchte. Mal sehen ob er noch einige Zahlen liefert.

Autor: Georg G. (df2au)
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Als erstes sollte der TO mal sagen, wie viel Zeit er aus dem Speicher 
überbrücken möchte. Im Sommer sind die Nächte kurz. Aber im November 
kann es schon mal passieren, dass eine ganze Woche die Solarzelle nicht 
nennenswert Leistung liefert.

Dann braucht man die Stromaufnahme im aktiven Mode und im Schlafzustand.

Ein LDO ist was schönes, schluckt aber 7/24 seine Mikroamperes. Das 
summiert sich schnell.

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Autor: Udo S. (urschmitt)
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Bei einem Kondensator sinkt die Ausgangsspannung linear zur entnommenen 
Ladung. Bei einem Akku bleibt die Ausgangsspannung fast die komplette 
entnehmbare Ladungsmenge in einem relativ engen und nutzbaren 
Spannungsband.

LiPePO4 Akkus sind nicht so empfindlich wie LiIon oder LiPol Akkus und 
als Spannungeregler für die max. Ladespannung kann man einfach einen 
Parallelregler (Shuntregler) bauen.

Siehe dazu auch die DSE-FAQ:
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9.5

: Bearbeitet durch User
Autor: Jörg R. (solar77)
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Georg G. schrieb:
> Als erstes sollte der TO mal sagen, wie viel Zeit er aus dem
> Speicher
> überbrücken möchte. Im Sommer sind die Nächte kurz. Aber im November
> kann es schon mal passieren, dass eine ganze Woche die Solarzelle nicht
> nennenswert Leistung liefert.

Ja, aber danach wurde ja schon gefragt.


> Dann braucht man die Stromaufnahme im aktiven Mode und im Schlafzustand.
>
> Ein LDO ist was schönes, schluckt aber 7/24 seine Mikroamperes. Das
> summiert sich schnell.

MCP17xx, <5uA * 24Std = 0,12mAh, ein Bruchteil von dem was der C an 
Leckstrom hat.


Udo S. schrieb:
> LiPePO4 Akkus sind...

...nahezu optimal wenn der uC mit 3V3 läuft. Die Spannung bleibt während 
der Entladung nahezu stabil.

: Bearbeitet durch User
Autor: Aus der W. (Firma: oldeuropesblogs.blogspot.de) (oldeurope)
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Mit diesem
Ebay-Artikel Nr. 253093535843
DCDC Converter bekommst Du einen vorzüglichen Wirkungsgrad.
Eine Schottky bringt da noch das I-Tüpfelchen.

LG
old.

Autor: Jakob (Gast)
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So ein Arduino, oder ähnliches Zeug, was 5 V "+ MWSt" zum Betrieb
braucht, ist für dafür komplett ungeeignet.

Wenn es nicht zu viel ist, was der Arduino leisten muss, wäre
doch der Einsatz eines µC, der mit 2,7 ... 5,5 V arbeitet, zu
erwägen. Bei "zu langer Nacht" kann man den auch über eine
Schottky-Diode mit einer CR2032 notversorgen.

Autor: Jörg R. (solar77)
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@TO
Kommen noch Informationen?

Autor: Dietmar B. (theq)
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Hallo,

erst mal vielen Dank für die zahlreichen Rückmeldungen.

Der Nano läuft mit 5V und der LDO ist ja schon drauf (LM1117IMPX-5.0).
> Als erstes sollte der TO mal sagen, wie viel Zeit er aus
> dem Speicher überbrücken möchte..
Wie schon vermutet: die Nacht. Also 24/7 Betrieb.

Zur Stromaufnahme kann ich nix sagen ... muss ich erst mal messen was in 
der Schlaf-/Wachphase aufgenommen wird. Die 2-stelligen µA im Mittel 
sind nur eine Annahme.
Aber da wir ja tatsächlich über Kondensatoren von >1F reden ist das 
Ganze wohl eher eine Schnapsidee ...

Trotzdem vielen Dank!

Autor: Jörg R. (solar77)
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Dietmar B. schrieb:
> Zur Stromaufnahme kann ich nix sagen ... muss ich erst mal messen was in
> der Schlaf-/Wachphase aufgenommen wird. Die 2-stelligen µA im Mittel
> sind nur eine Annahme.

Dann miss mal genau und poste die Daten.

> Aber da wir ja tatsächlich über Kondensatoren von >1F reden ist das
> Ganze wohl eher eine Schnapsidee ...

Weshalb?

Autor: E-Mail (wird nicht angezeigt): (Gast)
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Dietmar B. schrieb:
> Aber da wir ja tatsächlich über Kondensatoren von >1F reden ist das
> Ganze wohl eher eine Schnapsidee ...

Ist es nicht unbedingt. Es gibt Goldcaps im F-Bereich, die für diesen 
Zweck gedacht sind. Man braucht spezielle Typen mit niedrigem 
Innenwiderstand, irgendeiner wird nicht gehen. Für <10mA wäre die 
Panasonic RF-Serie möglich. Das reicht durchaus.

Katalog:
https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf/RDG0000/DMG0000COL60.pdf

Sowas haben Kement oder AVX bestimmt auch.

Der AVR kann ja mit 3V3 laufen. Also Goldcaps mit 5,5V, daraus erzeugt 
man die 3V3 für den AVR. Man braucht einen sehr sparsamen LDO. Ein 
TPS709 wäre denkbar.
Eine Unterspannungsabschaltung braucht man auch, ein Resetbaustein zum 
Beispiel, mit dem man den LDO schaltet.

Wenn man den Goldcap auf z.B: 5,0V geladen bekommt, und der LDO bis 3,5V 
3V3 erzeugen kann, hat man 1,5As.
Wenn die Elektronik im Schnitt 1mA benötigt, reicht 1F für z.B. 1000s 
(Selbstentladung gibts ja auch noch). Wenn man im zweistelligen 
µA-Bereich liegt, hat man durchaus die Nacht überbrücken.

Die Ladeschaltung für den Goldcap kann einfach eine Z-Diode parallel zur 
Solarzelle sein, damit geht man über eine passende Diode in den Goldcap. 
Eine TL431 + Schottky wäre noch besser.

Autor: Georg G. (df2au)
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Dietmar B. schrieb:
> Wie schon vermutet: die Nacht. Also 24/7 Betrieb.

Wie schon geschrieben, gibt es im Jahresverlauf durchaus "Nächte", die 
solartechnisch zwei Wochen dauern. Also, nochmals gefragt, wie lange 
muss die Kiste ohne Beleuchtung durchhalten?

Autor: Aus der W. (Firma: oldeuropesblogs.blogspot.de) (oldeurope)
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E-Mail (wird nicht angezeigt): schrieb:
> Wenn man den Goldcap auf z.B: 5,0V geladen bekommt, und der LDO bis 3,5V

Dann nutzt Du aber nur einen kleinen Teil der Ladungsmenge.
Ein passender Schaltregler kann mehr Ladungsmenge effizienter
umsetzen.

LG
old.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Aus der W. schrieb:
> E-Mail (wird nicht angezeigt): schrieb:
>> Wenn man den Goldcap auf z.B: 5,0V geladen bekommt, und der LDO bis 3,5V
>
> Dann nutzt Du aber nur einen kleinen Teil der Ladungsmenge.
> Ein passender Schaltregler kann mehr Ladungsmenge effizienter
> umsetzen.

Das ist ein Rechenexempel...wenn es Daten zum Rechnen geben würde;-)
Wenn nur alle 30Min für 30ms gemessen wird kann der LDO die bessere Wahl 
sein. Ein Schaltregler wird einen deutlich höheren Eigenverbrauch wie 
ein sparsamer LDO haben.

Scheinbar ist das Thema für den TO nicht mehr interessant. Vielleicht 
weil er denkt das ein C mit 1F oder auch 5F so groß ist wie eine 
Autobatterie;-)

Eine Frage ist natürlich ob der TO über die Möglichkeit/Equipment 
verfügt den Strom für den kurzen Zeitraum von 30ms messen zu können.

: Bearbeitet durch User
Autor: Dietmar B. (theq)
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das Antworten dauert halt etwas länger bei mir...

> ... wie lange muss die Kiste ohne Beleuchtung durchhalten?
Ohne das recherchiert zu haben... im Winter werden es dann schon >12h 
sein.

> ... ob der TO über die Möglichkeit/Equipment verfügt den Strom für
> den kurzen Zeitraum von 30ms messen zu können.
Ja, Oszi ist vorhanden.

Schnapsidee deshalb, weil ich erst dachte ich könnte ein paar alte 
10000µF Kondensatoren dafür recyceln.
Wenn ich den Arduino mit 5V betreibe müsste ja auch das Solarmodul recht 
groß sein. Also vermutlich 12V oder so, damit über die Nacht dann ~6V 
abfallen können.

Vielen Dank nochmal, aber diese Idee gebe ich glaube auf.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Dietmar B. schrieb:
>> ... wie lange muss die Kiste ohne Beleuchtung durchhalten?
> Ohne das recherchiert zu haben... im Winter werden es dann schon >12h
> sein

Im Winter musst du unter Umständen mit mehreren Tagen Überbrückungszeit 
rechnen. 12h ist nicht mal Ansatzweise ein Richtwert.


Dietmar B. schrieb:
>> ... ob der TO über die Möglichkeit/Equipment verfügt den Strom für
>> den kurzen Zeitraum von 30ms messen zu können.
> Ja, Oszi ist vorhanden.

Dann miss doch mal über einen Shunt die max. Stromaufnahme für die 30ms. 
Für den Ruhemodus benötigst Du allerdings ein anderes Messgerät.


Dietmar B. schrieb:
> Schnapsidee deshalb, weil ich erst dachte ich könnte ein paar alte
> 10000µF Kondensatoren dafür recyceln.

Wenn das „normale“ Elkos sind wären die nicht geeignet. Es müssen schon 
Goldcaps oder Supercaps sein.


Dietmar B. schrieb:
> Vielen Dank nochmal, aber diese Idee gebe ich glaube auf.

Schade. Wenn Du dir die Mühe mit den Messungen machen würdest würde ich 
mir (einige andere vermutlich auch) die Mühe machen etwas zu rechnen;-)

Einfacher und unkomplizierter ist natürlich die Versorgung über Akku(s).

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Autor: Jonas G. (9k81g4n3y)
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Hallo,

ich habe seit etwa einem Jahr ein 328P auf 1Mhz mit RFM69 und einem 
BME280 Chip nur mit Solarpanels und SuperCap am laufen.

Die zwei Solarpanels hängen direkt hinter der Fensterscheibe, also innen 
am Fenster.

Ich habe zwei 3V Panels 
(Ebay-Artikel Nr. 153282494301) 
in einer parallelschaltung vor einer Diode. Nach der Diode ist ein 
SuperCap 5,5V (1,5F).

Danach ist noch ein Elko zur Glättung. Mein Atmel wacht alle 15min auf, 
misst die drei Werte (Temp, Luftfeuchte, Luftdruck) schickt diese per 
433Mhz weg und geht wieder schlafen.

Ich habe danach keinen Spannungsregler, da Atmel, RFM69 und BME280 
jeweils mit 1.8 - 3.3V laufen.

Der Sensor schickt auch noch die aktuelle Spannung mit, anbei eine 
Grafik über den Verlauf.

Autor: Jakob (Gast)
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@ Jonas G. (9k81g4n3y)

Da hast du die gleichen Überlegungen angestellt, wie ich vor
2 Tagen - und sogar schon vor einem Jahr eine Aufgabe gelöst.
- Da hätte ich natürlich versucht, es mit einem Tiny zu machen.
;-)

Aber selbst mit deinen schönen Spannungsdiagrammen wird man
Arduino-Träumer wohl nicht auf die Erde zurückholen...
- Man müsste dann ja auch C, oder gar ASM anwenden!

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