Dauerhafte Stromversorgung für Arduino

[Bongo_1st]

Hallo zusammen

Wie bereits im Titel geschrieben würde ich gerne ein Arduino mit Strom versorgen.
Der Arduino soll mit einem Akku über den Sommer bzw. im Herbst im freien bleiben.

Ich habe mir folgendes vorgestellt:
- Ein Mini Solar-Panel mit 5V und 200mA
http://www.banggood.com/5V-1W-107MM-x-61MM-200MA-Mini-Solar-Panel-Photovoltaic-Panel-p-1004276.html

- LiPo Ladegerät mit Eingangsspannung von 5V und Abschaltung von 4.2 Volt
http://www.banggood.com/5Pcs-USB-Lithium-Battery-Charger-Module-With-Charging-And-Protection-p-943768.html

- Akku LiPo mit ca. 500 bis 600 mAh

- DC-DC Wandler von den 3.7 - 4.2 Volt auf 5Volt
http://www.banggood.com/2Pcs-500mA-DC-DC-1V-5V-Converter-Step-Up-Module-Power-Module-p-945167.html


Kann ich die Stromquelle wie oben beschrieben verwenden oder besteht die Gefahr, dass der Lader überhitzt wenn der LiPo voll geladen ist.
Ebenfalls bin ich mir mit der LiPo Grösse nicht sicher.
Am Arduino angehängt wird lediglich ein RF-Modul und Feuchtigkeitsmesser.


Besten Dank für Euren Input
Grüsse Bongo

[nikolaus10]

Hallo

Was spricht denn dagegen wenn du Temp und Accuspannung mit uebertraegst und eine externe Alarmauswertung darueber faehrst ?

73

[Hubert.G]

Schon mal überschlagen wieviel Strom du für den Arduino und Peripherie brauchst?
Vom Akku her werden das, geschätzt, etwa 120mA sein. Das heißt, wenn keine Sonne, bei 600mAh etwa 5 Stunden Laufzeit. Der Strom aus dem Solarpaneel ist bei optimaler Einstrahlung gerechnet. Dann nimm etwa 70% und die durchschnittlichen Sonnenstunden und du kannst dir ungefähr ausrechnen wie groß das Paneel sein muss und der Akku.

[Geistesblitz]

Nicht vergessen: das Ganze muss auch über Nacht durchhalten, da gibts bekannterweise keine Sonne. Jetzt im Winter werden die Nächte auch noch länger, so 14h sollte das Ganze dann schon allein über den Akku laufen können. Außerdem muss dann auch sichergestellt werden, dass sich der Akku tagsüber auch wieder auflädt, ansonsten ist der von Tag zu Tag immer ein bisschen leerer und stirbt irgendwann völlig. Der Arduino wird sicherlich nicht die ganze Zeit an sein müssen, wahrscheinlich reicht einmal ne Messung pro Minute oder so, da lohnt es sich mit dem Sleep-Modus zu arbeiten um Energie zu sparen. Schaltet sich der Lader eigentlich selber ab, wenn der Akku voll ist, oder versucht der permanent zu laden? Und guck mal hier rein, da stecken viele gute Infos drin:
https://www.youtube.com/watch?v=A6mKd5_-abk

[Peter(TOO)]

Hallo Bongo,

Du hast am falschen Ende angefangen!

Zuerst muss man wissen, wie viel Strom dein Gerät benötigt, da ist er mittlere Stromverbrauch wichtig.
Hier musst auch den Eigenstromverbrauch der Wandlers zwischen Akku und Arduino berücksichtigen.

Die Feuchtemessung muss nicht dauernd laufen, da genügt so 1 Messung/Minute. Senden muss auch nicht dauernd sein.
Man kann also den Arduino zwischen den Messungen abschalten und ihn per Timer-Interrupt nur ab und zu aufwecken.

Etwas vereinfacht:
Dein Arduino benötigt 60mA bei aktivem Programm und das Programm läuft 1s pro Minute.
Dann liegt der durchschnittliche Stromverbrauch bei 1mA.
OK, stimmt nicht so ganz, weil der Arduino auch im Schlaf noch etwas Strom benötigt.
Der Stromverbrauch hängt auch sehr vom Oszillator-Takt ab. Deshalb verwendet man bei solchen Aufgaben oft einen 32kHz-Quarz (die gibt's günstig als Uhrenquarz und man bekommt einfach einen 1s-Takt hin, einfach durch 215 Teilen) für die Schlafphase und schaltet dann, wenn das Programm rechnet, auf einen höheren Takt um.


Dann muss man wissen wie viele Sonnenstunden in deiner Gegend so anliegen, kritisch ist hier der Winter, mit den kurzen Tagen aber man muss auch die Anzahl der Wolkentage in etwa kennen.

Mit dem durchschnittlichen Stromverbrauch kann man dann die minimale Akku-Grösse bestimmen. Man sollte auch daran denken, dass es mal eine ganze Woche Regnen kann, bzw. keine Sonne zu sehen ist.

Die Solarzellen müssen dann den gesamten Tagesverbrauch deines Gerätes aufbringen und was darüber ist, lädt dann den Akku.
Hier musst du aber auch festlegen wie lange es dauern soll bis ein leerer Akku voll geladen ist.

MfG Peter(TOO)

[Bongo_1st]

Danke für die Inputs.

Grundsätzlich würde mir eine Messung alle 4h rechen.
Meine Gedanken um energiesparen ohne Anpassungen beim Akku vorzunehmen:
- Airduino erhält Strom
- Schalltet über Transistoren das Feuchtigkeitsmessmodul unddas RF-Modul ein
- Messungen (inkl. Akkustand) erfolgen und werden weiter gesendet.
- sämtlich Transistoren werden ausgeschaltet.
- der Arduino geht für 4h in den Tiefschlaf z.B. mit derlib. "LowPower.h"


Sollte über eine längere Zeit die Sonne ausbleiben, so kannich den Akku schlimmstenfalls austauschen.

[Geistesblitz]

Mal so eine Idee dazu: wie wäre es, auf einen Akku zu verzichten und stattdessen einen Supercap (oder im Zweifel mehrere parallel) zu nehmen? Das sind Elkos mit meist so 5,5V Spannungsfestigkeit und 1F Kapazität. Den könnte man am Anfang einmal aufladen und dann mit ner Anti-Rücklauf-Diode (am besten Schottky, die haben nur 0,3V Durchlassspannung) an die Solarzelle anschließen, und eben an den Arduino. Muss man halt ausrechnen, wieviele man braucht, damit die Spannung während des Betriebs nicht unter das untere Limit fällt (war glaub so bei 4,5V bei AVRs). Hätte den Vorteil, dass man sich den Wandler und das Lademodul sparen kann. Hier gäbe es zB. welche (http://www.ebay.de/itm/PANASONIC-Doppelschicht-Kondensator-GOLDCAP-1-5-F-5-5V-85-7x20-2-Stuck-/310984640135?hash=item4868210687:g:pigAAOSwVupTmr-A).

[Bongo_1st]

Wenn ich nun den Quarz wechsel zu einem Takt mit 32kHz, funktionieren die Bibliotheken (so viel ich nachgelesen habe) nicht mehr.
Leide kann ich kein C um jene anzupassen oder mein Projekt direkt in C oder Bascom zu erstellen.
Daher verwende ich den Arduino.

Wie sieht es denn aus, wenn ich auf einen Arduino micro wechsle, jener hat 3.3V und 8Mhz. Dies müsste sich ja bereits positiv bemerkbar machen.
Jedoch arbeiten meine Module auf 5 Volt.

Mit den Supercap habe ich keine Erfahrung, aber benötige ich hier nicht eine grosse Anzahl?
Wie wäre es denn, wenn ich anstelle des LiPo fünf NiMh Akkus mit ca. 2Ah nehme und ein 6Volt Solarmodul.
Somit könnte das Lademodul ebenfalls weggelassen werden.

Da mir das Aufwachen zeitlich relativ gleichgültig ist, könnte ich durch einen externen low Interrupt den Arduino wecken lassen.
Dieser wird erzeugt wenn ein Kondensator leer wird. Mit dem Einschallten kann der Kondensator neu geladen werden. Ist dies Möglich?

[PICture]

Hallo!

Weil von der Sonne gesammelte Energie nie realistisch vorgesehen werden kann, würde ich es so eirichten, dass nur bei ausreichend aufgeladenem Akku die Sensordaten gesendet werden. Das wäre eine Art von Akkuspannung abhängigem Schlafen.

Falls es regelmessig erfolgen müsste, gehört keine Solarzelle dorthin und man muss auch regelmässig einen genug großen Akku auf vollgeladenen wechseln.

[Geistesblitz]

Wobei es wohl sicher auch gehen würde, einfach einen dickeren Akku zu nehmen und den dann halt hin und wieder mal von Hand zu laden. Wenn man die Schaltung auf Energieeffizienz trimmt, dann wär das vielleicht mal alle paar Monate oder so. Da du ja eh Funk mit an Board hast, wär dann ein Signal hilfreich, wenn der Akku langsam zu neige geht. Oder generell ein Signal, was den Akkustatus übermittelt.

[Bernhard667]

Hallo,
die wichtigsten Sachen wurden ja schon gesagt.
Ermitteln wieviel Strom benötigt wird
Dazu konsequent Strom sparen. Stromspar Modi benutzen. Ich kenne das Arduino Zeug nicht. Es wird hier auch nicht genannt, welcher verwendet wird. Mein Vorurteil sagt mir, das da Strom verschwendet wird:
USB Anschluß, Spannungsregler, Controller läuft immer auf Volllast. Wenn ich hier zu skeptisch bin, bitte korrigieren.

Ich für mich würde vermutlich machen:
Mega 328 bare metal
Den Lipo mittels Max1811 laden lassen von Solar, wenn Sonne da ist
Spannung aus Lipo mittels ZLDO330 auf 3.3V regeln. Der hat sehr niedrigen Eigenverbrauch und auch einen Shutdown Eingang. Wenn also die Lipo Spannung zu weit sinkt, kann sich die Schaltung selbst komplett abschalten. Das ist besser, als den Lipo tot zu lutschen.
Ich nehme an, der Ruhebedarf kann <1mA werden. Mit einem 1000mAh Lipo kann man da lange überbrücken bis die Sonne wieder scheint.

Gruß
Bernhard

[Bongo_1st]

Mein Arsenal an Bauteilen ist leider Begrenzt.
Ich denke, dass ich den LiPo vorerst weglassen werde und einen NiMh-Akku nehme.
Leider habe ich die Falsche Solarzelle organisiert. Die erworbene hat 6 Volt (bis 6.5 V) sowie eine Leistung von 520mA.
Die 5 Zellen Akkus leider nur eine Kapazität von 1'300 bis 2'000 mA. Da ich ohne Abschaltautomatik arbeiten möchte, muss eine 200mA Zelle her...
Oder seht Ihr das anders?

Bezüglich der Schaltung habe ich mir ebenfalls Gedanken gemacht.
30823
(meine erster Schaltplan:roll:)

Könnte dies so funktionieren?

[theborg]

Ja das sieht doch schon mal gut aus allerdings würde ich bei den Modulen nicht GND schalten sondern VDD sonst kann es Probleme geben und auch strom verbraucht werden über die Datenleitungen, später wen du lipo/liio nutzen möchtest macht ein Regler sinn der auch kleine Spannungen auf 5v bekommt da gibt es einige von maxim die ab 0,7v arbeiten, da die zellen meist nur bei idealen Bedingungen auf die Nennspannungen kommen, desweiteren brauchst du min das doppelte an Strom den du verbrauchst von der Solarzelle und die Batterie solte mehr als 48h die Schaltung betreiben können fals die ertragreichen tage ausbleiben.

[nikolaus10]

....
Leider habe ich die Falsche Solarzelle organisiert. Die erworbene hat 6 Volt (bis 6.5 V) sowie eine Leistung von 520mA.
Die 5 Zellen Akkus leider nur eine Kapazität von 1'300 bis 2'000 mA. Da ich ohne Abschaltautomatik arbeiten möchte, muss eine 200mA Zelle her...
Oder seht Ihr das anders?...................


Das habe ich nicht ganz verstanden.
Accus haben meistens ma/h.
Von 1.300 bis 2.000 ma/h ist auch ein weiter Bereich ?
Wie kommst du auf 200mA ?
Die Angaben fuer Solarzellen sind max Werte bei idealen Bedingungen, also kann die Solarzelle fuer deine Anwendung nicht gross genug sein.
(Ueberspannung nicht vergessen)


73

[Bernhard667]

Hallo nikolaus10,
sag bitte nicht mA/h, das gibts nicht. Die Einheit ist physikalisch falsch.
Auch Bongo_1st schreibt bei Kapazitätsangaben mA. Ist auch falsch.
Kapazität für Akkus bemisst man in Strom * Zeit [mAh]

Das ist jetzt keine Korinthenkackerei. Die Einheit sagt bereits, worum es geht. Eine falsche schadet dem Verständnis.

Gruß
Bernhard

[Bongo_1st]

Hätte ich wissen müssen mit den mAh, Sorry.
Ich denke, dass das mA/h nur zur Verdeutlichung war.

Also weiter im Text:
Im Layout ist mir aufgefallen, dass ich den 500 Ohm Widerstand zwischen dem Arduino Pin und dem Transistor vergessen habe.

Bezüglich der Leistung des Solarpanels hatte ich folgende Überlegung:
Da keine Abschaltung vorhanden ist, müssen die Akkus soviel ich weiss mit 1/10 der Kapazität geladen werden, so dass sie nicht überladen werden.
Davon ausgehend, dass ich einen Akku mit 1'300 mAh verwende und jenen an einem Sommertag lade, würde ja folgende Laderechnung erfolgen:
1'300 mAh / 500 mA * 1.4 = 3 h und 40 min bis der Akku voll geladen ist.

Davon ausgehend, dass nicht die gesamte Leistung zur Verfügung steht, denke ich denn noch, dass es am 2. oder 3. Tag zu einer Überladung kommen könnte.

Ich werde mich nochmals melden, sobald ich den Stromverbrauch gemessen habe.

[Peter(TOO)]

Hallo,

Bezüglich der Leistung des Solarpanels hatte ich folgende Überlegung:
Da keine Abschaltung vorhanden ist, müssen die Akkus soviel ich weiss mit 1/10 der Kapazität geladen werden, so dass sie nicht überladen werden.
Davon ausgehend, dass ich einen Akku mit 1'300 mAh verwende und jenen an einem Sommertag lade, würde ja folgende Laderechnung erfolgen:
1'300 mAh / 500 mA * 1.4 = 3 h und 40 min bis der Akku voll geladen ist.

Hallo, du verwechselst da ein paar Dinge:
1. Der maximal erlaubte Ladestrom: Wird dieser Überschritten, wird der Akku vor allem Heiss und nimmt deshalb Schaden.
2. Weiteres Laden, wenn der Akku schon voll ist, auch hier nimmt der Akku Schaden, auch wenn er mit 1/10C geladen wird.
3. Es gibt einen Dauerladestrom, meist im Bereich von 1/50C, bei welchem der Akku keinen Schaden nimmt.


Die 500mA erreicht das Modul nur bei idealen Bedingungen, also Sonnenhöchststand, klarer Himmel, optimal ausgerichtetes Modul. Eine Stunde später ist der Strom schon wieder kleiner. So in etwas entspricht die Modulleistung, über den Tag, einer Sinushalbwelle, mit der Spitze bei senkrechtem Sonnenstand.

MfG Peter(TOO)

[PICture]

3. Es gibt einen Dauerladestrom, meist im Bereich von 1/50C, bei welchem der Akku keinen Schaden nimmt.

Bei schnelladefähigen Ni-MH Akkus kann man unschädlich in die Wärme gewandelnden Dauerladestrom sogar auf 1/20 C vergrößern. Darüber entscheidet immer die Akkutemperatur. Sie schadet, wenn zu hoch ist.

[Bongo_1st]

Leider habe ich noch nicht sämtliche Teile erhalten, dennoch habe ich eine Annäherungswert.
Nicht verbaut ist der Hygrometer für die Erde und die Transistoren.
Anstelle der Transistoren habe ich zwei blaue LED geschaltet.
das RF-Modul ist bereits angeschlossen.

Folgendes hat der Multimeter ausgegeben:
Spannung am Akku 6.85 Volt
Verbrauch Standby 8 sec. 13 mA
Verbrauch Messung und Sendung 2 sec. 31 mA

Ist es korrekt, dass der durchschnittliche verbrauch etwa bei 17 mA liegt?

Noch verbaut ist ein Arduino Nano mit 16 Mhz und 5V, mit LED für Power-Anzeige.
Folgen wird ein Arduino mini mit 8 Mhz und 5V, ohne LED für Power-Anzeige.
So sollte noch einmal eine kleine Einsparung möglich sein.


Bezüglich Akku Ladung:
Kann ich um die Leistung der Solarzelle zu messen ebenfalls den Multimeter zwischen + und - dem Modul anhängen?
Wie seht Ihr das: kann ich es wagen den NiMh 5nellen und 1'300 mAh mit der Solarzelle von 6.5 V und 520 mA zu laden ohne Abschaltautomatik?
Oder bringt die Zelle allenfalls wirklich zu wenig Leistung?

[PICture]

Verbrauch Standby 8 sec. 13 mA
Verbrauch Messung und Sendung 2 sec. 31 mA

Ist es korrekt, dass der durchschnittliche verbrauch etwa bei 17 mA liegt?

Ja, genau 16,6 mA. ;)

Beim Akkuladen musst du alles genau messen. Wenn die Solarzelle Leerlaufspannung Uo = 6,5 V und Kurzschlußsstrom Io = 520 mA hat, dann wird der Ni-MH Akku aus 5 Zellen (5 x 1,5 V = 7,5 V) nie vollgeladen, weil die Spannung belasteter Solarzelle dafür zu niedrig wird ._.

[damfino]

Zum Laden sind LiIon/Lipo oder Blei einfacher zu regeln: einfach die Ladeendspannung begrenzen und fertig. Wenn der Akku voll ist, nimmt er nichts mehr auf. Ebenso ist über die Spannung einfach zu erkennen ob der Akku voll oder leer ist.
Nimh benötigen eine kompliziertere Ladetechnik, durch zu hohe Dauerladung werden sie schnell defekt. Ob sie leer sind ist auch schwerer zu erkennen da sie lange die Spannung auf gleichen Niveau halten und dann schnell einbrechen.

LG!

[PICture]

Hallo!


Nimh benötigen eine kompliziertere Ladetechnik, durch zu hohe Dauerladung werden sie schnell defekt.

Das kann ich nicht zustimmen, weil bei mir schon jahrelang mehrere (momentan über 20) festeingebaute schnelladefähige Ni-MH Akkus rund um die Uhr an Ladegeräten mit Konstantstromquelle (KSQ) hängen: https://www.roboternetz.de/community/threads/61656-Lader-f%C3%BCr-fest-eingebaute-Akkus . Das hat nur den Nachteil, dass sie sich langsam laden. Aber bisher ist noch keiner defekt.

[Bongo_1st]

Kurze Aktualisierung:

Das Solarpanel mit 6V läuft nun ziemlich genau eine Woche.
In der Woche war es teilweise bewölkt (diffuses Licht über den ganzen Tag), hatte aber auch Sonnige Tage.
Das Panel bringt bei Sonne eine Spannung bis. 6.7 Volt
Die Akkuspannung wurde jeweils am Morgen um 7:00 Uhr und Abends um 18:00 Uhr (immer im dunkeln) gemessen.
Tiefstwerte/Höchstwerte:
- 07:00 Uhr 6,37 V / 6,41 V
- 18:00 Uhr 6,38 V / 6,47 V

Der Verwendete Akku ist ein in die Jahre gekommener fünf Zellen NiMh mit 1'300mAh

Die Schaltung misst nun nur noch alle 56 Sekunden.
Der Durchschnittliche Verbrauch liegt bei 7 mA

Grundsätzlich bin ich mit der aktuellen Lösung sehr zufrieden.

Wo ich leider nicht weiterkomme ist bei Ethernet Shield W5100
https://www.roboternetz.de/community/threads/68161-Arduino-und-Twitter
Eventuell weiss jemand von Euch wo das Problem liegen könnte.