Kampis Elektroecke

Design der Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung des Sensor-Knotens soll sowohl über eine Solarzelle, als auch über einen Li-Po-Akku erfolgen. Als Spannungsversorgung für das Mikrocontrollermodul wird wahlweise eine 5 V oder eine 3,7 V Spannung benötigt, die entweder über den VBUS- oder den LiPo-Pin in das Board eingespeist werden kann.

Die integrierten Sensoren benötigen eine Spannung von 3,3 V, wobei das Mikrocontrollermodul eine 3,3 V Spannung mit einem maximalen Ausgangsstrom von 1 A zur Verfügung stellen kann. 

Für die Spannungsversorgung des Mikrocontrollermoduls stehen nun zwei Möglichkeiten offen:

  1. Versorgung über VBUS: Es wird eine 5 V Spannung benötigt, die dann auf dem Mikrocontrollermodul in einen Laderegler für den Akku eingespeist wird und somit den Akku lädt und aus der die 3,3 V Versorgungsspannung für das Modul generiert werden.
  2. Versorgung über LiPo+: Es wird direkt die 3,3 V Versorgungsspannung für das Mikrocontrollermodul erzeugt. Zudem kann diese Spannung genutzt werden um den Akku zu laden.

Es erscheint daher sinnvoll, wenn die Spannung aus der Solarzelle direkt zum Laden des Akkus verwendet wird, da dadurch ein Spannungsregler weniger verwendet werden muss, was die Stromaufnahme verringert. Für die Spannungsversorgung wird also ein entsprechender Laderegler benötigt, der zudem auch mit einer Solarzelle betrieben werden kann. Solche ICs werden mittlerweile von allen größeren Herstellern angeboten, sodass genug Auswahl besteht.

Für alle weiteren Überlegungen wird die Stromaufnahme der einzelnen Komponenten benötigt. Für die Sensoren können diese Werte den entsprechenden Datenblättern entnommen werden.

Komponente Maximale Stromaufnahme (Normal)
MCP9808 400 µA
BME680 12 mA
BH1726 75 µA
VEML6070 250 µA

Das Anemometer fällt für die Betrachtung der Stromaufnahme nicht ins Gewicht, da es über Pull-Up Widerstände mit dem Mikrocontroller verbunden und die Windrichtungserkennung über den ADC des Mikrocontrollers läuft. Der maximale Strom hängt somit von den verwendeten Pull-Up Widerständen ab, die im Bereich > 10 kΩ liegen. 

Den Stromverbrauch des Mikrocontrollermoduls wurde mit einem Multimeter und einem Oszilloskop inkl. Stromzange gemessen. Alle Messungen wurden bei einer 5 V Versorgungsspannung und Device OS Version 1.5.2 ohne Anwendungssoftware durchgeführt. Lediglich der WLAN-Modus wurde aktiviert / deaktiviert.

Im eingeschwungenen Zustanden wurden die folgende Strommittelwerte gemessen:

Modus Stromaufnahme (Mittelwert)
Verbindungsaufbau mit dem WLAN 78,43 mA
Mit WLAN verbunden 23,33 mA
Manueller Modus 5,8 mA
Akku laden 505,6 mA
Sleep-Modus STOP 1,37 mA
Sleep-Modus HIBERNATE 0,99 mA

Die Stromersparnis zwischen dem Modus STOP und HIBERNATE beträgt laut den Messungen etwa 370 µA. Der Vorteil von STOP-Modus gegenüber dem HIBERNATE-Modus ist, dass der STOP-Modus durch die interne RTC automatisch nach einer gewissen Zeit beendet werden kann. Der HIBERNATE-Modus kann nur über einen GPIO-Interrupt beendet werden. Bei einem solchen Interrupt führt der Mikrocontroller einen Reset durch, was zur Folge hätte, dass die gesamte Software von vorne beginnen würde. Dies macht den HIBERNATE-Modus für diese Anwendung unbrauchbar, sodass stattdessen der STOP-Modus genutzt werden soll.

Der Stromverbrauch der einzelnen Sensoren lässt sich durch entsprechende Powermodi stark reduzieren. So wechselt z. B. der BME680 nach einer Messung automatisch zurück in den Sleep-Modus, was die Stromaufnahme auf 1 µA verringert:

Komponente Maximale Stromaufnahme (Sleep)
MCP9808 2 µA
BME680 1 µA
BH1726 0,8 µA

Während des Betriebs soll sich der Sensor-Knoten die meiste Zeit im Sleep-Modus befinden und nur alle x-Sekunden aufwachen, sich mit dem WLAN verbinden, die Sensoren auslesen und dann wieder in den Sleep-Modus wechseln. Aus diesem Ablauf ergeben sich damit drei Werte für den maximalen Stromverbrauch:

Modus Stromaufnahme (Mittelwert)
Sleep 1,37 mA + 2 µA + 1 µA + 0,8 µA + 250 µA = 1,62 mA
Verbindungsaufbau mit WLAN 78,43 mA + 2 µA + 1 µA + 0,8 µA + 250 µA = 78,68 mA
Messmodus 23,33 mA + 400 µA + 12 mA + 75 µA + 250 µA = 36,06 mA

Hinweis:

Für diese Betrachtung ist der maximale Stromverbrauch der Sensoren als Mittelwert angenommen worden. Die Datenblätter geben leider keine Auskunft darüber, ob die angegebene Maximalstromaufnahme einen Mittelwert oder einen Spitzenwert darstellen. Daher habe ich mich für den „schlechteren“ Fall entschieden und die Angabe als Mittelwert angenommen.

Mit diesen Werten kann nun die mittlere Stromaufnahme in einer Stunde bestimmt werden. Dazu werden folgende Annahmen getroffen:

  • 3 Minuten Sleep-Modus
  • 30 Sekunden Verbindungsaufbau WLAN
  • 1 Sekunde Messen

I_{3min} = 1,62 mA \cdot 3 min + 78,68 mA \cdot 0,5 min + 36,06 mA \cdot \frac{1}{60} min
I_{3min} = 44,81 mAmin
I_{g} = 14,93 mA

Somit benötigt die Schaltung in der Theorie und bei einer 5 V Versorgungsspannung einen mittleren Strom von 14,93 mA. Durch den mitgelieferten 2 Ah LiPo-Akku kann die Schaltung somit etwa 133 Stunden oder 5,8 Tage mit Energie versorgt werden.

Als Spannungsquelle soll ein LT3652 DC/DC-Wandler verwendet werden, der direkt an den LiPo-Pin des Mikrocontrollermoduls angeschlossen wird, wodurch der angeschlossene LiPo-Akku parallel geladen werden kann. Dieser Chip ist für den Einsatz als Solarladechip optimiert, kann zusammen mit Li-Po-Akkus verwendet werden und stellt einen maximalen Ladestrom von bis zu 2 A zur Verfügung. Er erwartet eine Eingangsspannung von 4,95 – 32 V, wodurch Solarzellen mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen genutzt werden.

Für einen einzelnen Tag ergibt sich eine benötigte Ladung von 358,32 mA. Während er aktivieren Sonnenzeit muss diese Ladung in dem Akku gespeichert werden, damit das Gerät genug Energie um einen Tag lang arbeiten zu können. Die benötigte e Energie wird von der Solarzelle geliefert und durch den Schaltregler entsprechend umgewandelt. Der Wirkungsgrad des Reglers ist in einem zusätzlichen Artikel von Analog Devices beschrieben und beträgt bei dem benötigten Strom etwas mehr als 80%.

Die Solarzelle muss somit einen Strom von mindestens 447,9 mA zur Verfügung stellen können um den Akku innerhalb von einer Stunde um die ausreichende Menge zu laden.

Für einen sicheren Start muss die Eingangsspannung des Reglers mindestens 3,3 V höher sein als die Ladespannung des Akkus, wobei die Ladespannung durch einen Spannungsteiler am VFB– und BAT-Pin eingestellt wird. LiPo-Akkus werden üblicherweise mit einer Spannung von max. 4,2 V geladen. Die Ladespannung regelt der Laderegler über einen Spannungsteiler am VFB-Pin, indem er so lange nachregelt, bis am VFB-Pin eine Spannung von 3,3 V anliegt. Über den nachfolgenden Spannungsteiler wird eine Ladespannung von 4,2 V eingestellt.

Der verwendete Spannungsteiler sollte mindestens einen Widerstand von 250 kΩ besitzen um den, durch den VFB-Bias verursachten Fehler, zu minimieren. Zudem sollte auf ein Netzwerk aus drei Widerständen zurückgegriffen werden, um einen Fehler in der Ausgangsspannung, verursacht durch den Strom, der durch den Spannungsteiler fließt, zu verringern (siehe Datenblatt S. 15). Mit einem Gesamtstrom im Spannungsteiler von von 15 µA gilt:

\frac{R_{FB2}}{R_{FB1}}=\frac{3,3V}{V_{BAT} - 3,3V}
\frac{R_{FB2}}{R_{FB1}}=3,66

R_{FB2} = \frac{3,3V}{10\mu A}
R_{FB2} =220k\Omega

R_{FB1} = \frac{220k\Omega}{3,66}
R_{FB1} =60,1k\Omega

R_{FB12} = \frac{R_{FB1}\cdot R_{FB2}}{R_{FB1}+R_{FB2}}
R_{FB12} =47k\Omega
R_{FB3} =250k\Omega-R_{FB12}
R_{FB3} =203k\Omega

Aus der Ladespannung des Akkus und der minimalen Versorgungsspannung des Reglers, sowie der Bedingung das die Eingangsspannung 3,3 V höher sein muss als die Ladespannung, ergibt sich eine minimale Versorgungsspannung von 7,5 V. Da diese Versorgungsspannung bei Solarzellen nicht üblich ist, soll eine 12 V Spannungsversorgung angenommen werden.

Im nächsten Schritt wird der Ladestrom des Reglers eingestellt, indem zwischen dem SENSE– und dem BAT-Pin ein Widerstand parallel geschaltet wird. Der maximale Ladestrom ist erreicht, wenn eine Spannung von 100 mV an dem Widerstand abfällt. Somit gilt für den maximalen Ladestrom:

I_{CHG} = \frac{0,1}{R_{SENSE}}}

Für einen Ladestrom von max. 450 mA ergibt sich nach der o. g. Formel ein Widerstand von 0,22 Ω.

Die Dimensionierung der Induktivität erfolgt über den maximalen Ripple des Ladestrom, welcher üblicherweise im Bereich

0,25 < \frac{\Delta I_{L}}{I_{CHG}(Max)} < 0,35
\Delta I_{L}=135mA

liegen sollte. Bei einem Verhältnis von 0,3 ergibt sich für den Ripple ein Strom von 0,135 A. Dieser Wert wird nun für die Berechnung der Induktivität genutzt,:

L=\frac{10\cdot R_{SENSE}\cdot {I_{CHG}(Max)}}{\Delta I_{L}}\cdot V_{BAT}\cdot \left ( 1-\frac{V_{BAT}}{V_{IN}} \right )\left[\mu H \right]
L=19,5\mu H

Paramter Wert
R_{SENSE} 0,22 Ω
\Delta I_{L}}{I_{CHG}(Max) 0,135 A
I_{CHG}(Max) 0,45 A
V_{BAT} 4 V
V_{IN}(Max) 12 V

Aus diesen Werten ergibt sich eine Induktivität von 19,5 µH. Zusätzlich zu der Induktivität wird auch noch der Sättigungsstrom ISAT und IRMS benötigt.

I_{SAT} = \left (1 + \frac{\Delta I_{MAX}}{2} \right ) \cdot I_{CHG}(Max)
I_{SAT}=450mA
I_{RMS} > I_{CHG}(Max)
I_{RMS} > 450mA

Der Sättigungsstrom ISAT beträgt in diesem Beispiel etwa 480 mA und IRMS muss größer sein als 450 mA.

Mit diesen Parametern kann nun die Induktivität ausgewählt werden. Ein Beispiel für eine passende Induktivität wäre z. B. die 22 µH Spule aus der IDC-2512 Reiche von Vishay.

Zum Schluss muss noch die Schaltdiode zwischen dem SW-Pin und GND dimensioniert werden. Für die Auswahl einer geeigneten Diode ist der Spannungsabfall in Durchlassrichtung, die Spannung Sperrrichtung, sowie der Maximalstrom relevant.

Linear Technologies empfiehlt hier den Einsatz einer Schottky-Diode, da bei diesen Dioden der Spannungsabfall in Durchlassrichtung am niedrigsten und damit die Effizienz am höchsten ist. Die Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung muss größer sein als die maximale Betriebsspannung und für den Diodenstrom gilt:

I_{DIODE}(Max) > I_{CHG}(Max) \cdot \frac{V_{IN}-0,7 \cdot V_{BAT}}{V_{IN}}
I_{DIODE}(Max) > 345 mA

Daraus ergibt sich ein maximaler Diodenstrom von 345 mA.

Der Rest der Beschaltung für den Regler kann dem Datenblatt entnommen werden, sodass sich der folgende Aufbau ergibt.

Der Regler soll permanend laden (und damit den Mikrocontroller versorgen), weshalb die Ladefunktion nicht benötigt und der TIMER-Pin unbeschaltet bleiben kann. Über das Poti an VIN_REG wird die minimale Betriebsspannung eingestellt. Sobald die Spannung an dem Pin unter 2,7 V sinkt, wird der Ladestrom reduziert.

Als passende Solarzelle habe ich mich für eine 12 V / 5 W Zelle von Offgridtec entschieden, da diese Solarzelle zum einen mit knapp 11€ nicht besonders teuer ist und zudem schon in einem Wetterschutzgehäuse mit Kabelverschraubungen untergebracht ist.

Hinweis:

Die Ausgangsleistung der Solarzelle hängt vom Sonnenlicht ab und variiert somit über den Tag. Wenn weniger Sonnenlicht zur Verfügung steht, benötigt der Akku entsprechend länger zum Laden oder es muss eine größere Solarzelle verwendet werden. Zudem ist der Aufstellwinkel der Solarzelle wichtig.

Eine genauere Betrachtung der Sonnenenergie für eine bestimmte Gegend kann mit Hilfe des Solar Atlas durchgeführt werden.

Die Spannungsversorgung wäre damit fertig designed. Weiter geht es mit der Sensorik…

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