Bild von Jeremy Cook
Leuchten, die sich bei Dunkelheit automatisch einschalten, werden immer beliebter. Häufig verfügen sie über integrierte Möglichkeiten zur Energiegewinnung und -speicherung. In diese Kategorie fallen beispielsweise Landschaftsbeleuchtung, Gartendekorationen und Sicherheitsleuchten, also alle Lösungen, die Licht schaffen sollen, ohne dass Kabel verlegt werden müssen.
Üblicherweise lädt ein Sonnenkollektor eine Batterie, die eine LED-Leuchte speist. Ein Ladecontroller stellt sicher, dass die Batterie ordnungsgemäß vom Solarpanel geladen wird. Eine DC-DC-LED-Treiberschaltung verbindet die Batterie mit der Leuchte. Ein Umgebungslichtsensor stellt fest, wann es so dunkel wird, dass das Licht eingeschaltet bzw. bei Sonnenaufgang wieder ausgeschaltet werden muss.
Fortschritte bei Energiegewinnung durch Sonnenkollektoren, Batteriespeicherung und LED-Effizienz kombiniert mit Kostensenkungen in allen drei Bereichen ermöglichen immer leistungsfähigere und kostengünstigere Versionen dieser Produkte. Während solarbetriebene Leuchten früher einen Weg für wenige Stunden schwach beleuchteten, können sie ihn jetzt die ganze Nacht vollständig erhellen.
Da die Energiespeicherung mittels Superkondensatoren zugenommen hat und die Kosten gesunken sind, stellt deren Verwendung in bestimmten Anwendungen (hauptsächlich Anwendungen mit schneller/starker Entladung) eine sinnvolle Alternative zu Batterien dar. Sie bieten im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der Speicherkapazität über Lade-/Entladezyklen hinweg Vorteile und erlauben eine schnellere Ladung und Entladung als die meisten Batterietechnologien. Dieser Artikel stellt diese Konzepte in einem kleinen Format vor: Gebaut wird ein solarbetriebener Beleuchtungsschaltkreis, der bei Dunkelheit aktiviert wird, mit ATtiny-Mikrocontroller und Superkondensator.
Ausgehend von dieser kleinen Demo können eigene IoT-Systeme entwickelt werden. Der ESP32 oder ein anderer Baustein mit Drahtlosfunktion kann anstelle des hier verwendeten ATtiny45V eingesetzt werden. Auch zusätzliche Komponenten wie ein Ladecontroller oder ein DC-DC-LED-Treiber können verwendet werden. Mit diesen Ergänzungen lassen sich grundlegende IoT-Funktionen für Benutzeroberfläche, Farbkoordination und Szeneneinstellung implementieren. Zudem kann das automatische Einschalten von Leuchten ermöglicht werden.
Der Superkondensator-Solarenergiespeicher agiert als Einschalter bei Dunkelheit
Bild von Jeremy Cook
In diesem früheren Artikel haben wir die Verwendung eines LDR zur Erfassung von externem Licht beschrieben. Wird eine Diode und ein PNP-BJT-Transistor hinzugefügt, können Superkondensatoren (oder eine Batterie) mit einem Sonnenkollektor geladen werden. Der Sonnenkollektor kann auch als Schalter für eine LED oder einen Mikrocontroller genutzt werden. Diese Lade- und Schaltkonfiguration kommt bei Landschaftsbeleuchtung und Sicherheitsleuchten zum Einsatz.
Die unten abgebildete Schaltung verwendet eine Fotovoltaikzelle (FV) – idealerweise für 5,5 V ausgelegt, andere Werte sind aber möglich –, um Strom über eine Diode an eine Reihe mit zwei identischen Superkondensatoren (10 F, 2,7 V) zu leiten. Diese in Reihe geschalteten Superkondensatoren haben ein kombiniertes Potenzial von 5,4 V und eine Kapazität von 5 F. Dank der Diode kann Strom von den FV nur zu den Kondensatoren fließen. Er verlässt die Kondensatoren über den Transistor, um den ATtiny/LED-Schaltkreis zu speisen.
Wenn die Spannung des Sonnenkollektors (und damit die Lichtstärke) das Maximum erreicht, wird die Superkondensatorbatterie auf dieses Maximum geladen, abzüglich des durch die Diode verursachten Spannungsabfalls. Wenn der Ausgang des Sonnenkollektors dann unter die Spannungsschwelle des Systems fällt, sind die Superkondensatoren (und Emitter) im Verhältnis zu den Sonnenkollektoren (und der Basis) ausreichend positiv, sodass Strom von der Basis fließen und den Transistor einschalten kann.
Bei aktiviertem Transistor kann außerdem Strom vom Emitter zum Kollektor fließen und so den ATtiny45 und die LEDs speisen. In Verbindung mit den Superkondensatoren, der Diode und dem PNP-Transistor (2N3906) fungiert die Solarzelle als Sensor und als Ladevorrichtung.
Den Projektcode finden Sie hier. Weitere Informationen zur Programmierung des ATtiny finden Sie in diesem Tutorial, obwohl die IDE Arduino 1.x verwendet wird. Wenn Sie die neuere IDE 2.x verwenden, müssen Sie den ATtiny45 als Prozessor und dann Upload Using Programmer wählen (siehe unten).
Effizientes Design mit Superkondensatoren
Im Unterschied zu LiPo-Batterien können Superkondensatoren praktisch mit beliebiger Rate geladen und problemlos vollständig entladen werden. Eine Schaltung für das Lademanagement und die damit verbundenen Verluste entfallen. Effizienz ist insbesondere für Solarstromanwendungen wichtig. Die Reduzierung dieser einfachen Anwendung auf wenige Komponenten kann prozentual erhebliche Geldeinsparungen und Effizienzsteigerungen bedeuten.
Der ATtiny45V seinerseits kann mit 1,8 V bis 5,5 V betrieben werden. Dies ist für den von Superkondensatoren bereitgestellten Spannungsbereich nahezu perfekt. Wie in Abbildung 22-4 im ATtiny25/45/85-Datenblatt dargestellt ist, variiert der Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, liegt jedoch die meiste Zeit, in der die LEDs aktiv sind, bei weniger als einem Milliampere. Da LEDs ca. 20 mA verbrauchen, lässt sich durch Verwendung des ATtiny45V zum Ein- und Ausschalten verglichen mit ständig eingeschalteten LEDs tatsächlich Strom sparen.
Was hier vorgestellt wird, ist ein Prototyp, dessen Betrieb sicher weiter optimiert werden kann. Sie können beispielsweise einen P-Kanal-MOSFET anstelle eines PNP-BJT-Transistors einsetzen oder die in der Schaltung verwendeten Widerstandswerte ändern. Mittels PWM kann die Helligkeit der LEDs gedimmt werden. Auf diese Weise lassen sich ggf. auch unterschiedliche Ladepegel kompensieren. Schließlich können für den ATtiny45 verschiedene Verfahren implementiert werden, die dem Sparen von Strom dienen.
Nächste Stufe der Energiespeicherung mit Superkondensatoren
Der We Care Solar Suitcase ist ein reales Beispiel für die Speisung von Leuchten und Telefonladevorrichtungen in abgelegenen Kliniken in einem tragbaren Paket. Ein solches tragbares Paket für die Energieversorgung kann auch als drahtloser Hotspot eingesetzt werden, der die Kommunikation mit medizinischem Personal an abgelegenen Orten und sogar die Telemetrieüberwachung von Geräten (z. B. Batterielebensdauer, Werkzeugstatus, Verbrauchsmaterialien) ermöglicht. Ein Datenübersicht kann zudem den Status und den Standort der Solar Suitcases im Umfeld anzeigen und so bei Notfällen eine bessere Verteilung der Ressourcen ermöglichen.
Auch wenn diese kleinen Solaranlagen nicht für jede Situation geeignet sind, bieten sie doch vielfältige praktische Einsatzmöglichkeiten. Es handelt sich außerdem um eine problemlos zugängliche Technologie, dank der Designer mit der Erzeugung von Sonnenstrom und der Energiespeicherung experimentieren können. Fügen Sie drahtlose Konnektivität und IoT-Konzepte hinzu, um nahezu alle Beschränkungen zu überwinden!
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