Hallo, dies ist mein erster Beitrag und ich hoffe, hier nicht direkt für blöde Fragen gesteinigt zu werden :) Ich habe mich bisher nur mit dem Zusammenstecken fertiger Boards (Arduino, ESP32) beschäftigt. Zwar hab ich hier und da auch schonmal einen Lötkolben gehalten, jedoch noch nie eine eigene Schaltung "entworfen". Den Akku (3,7V LiPo/Li-Ion) eines ESP32, der das ganze Jahr im (eingeschränkt wettergeschützten) Außenbereich laufen soll, möchte ich per Mini-Solarzelle laden, sodass dieser dauerhaft autark läuft. Der mir vorliegende Akku darf lt. Datenblatt bei Temperaturen zwischen 10°C und 45°C geladen werden (entladen bis runter zu -20°C). Um den Akku ausschließlich innerhalb der Parameter zu laden, besitzt meine Schaltung bereits einen NTC, der die Batterieladung außerhalb des o.g. Temperaturbereichs abschaltet. Nun möchte ich aber bei Temperaturen unter 10°C nicht grundsätzlich aufs Laden verzichten sondern stattdessen eine Schaltung umsetzen, die bei angeschlossener Stromquelle und zu niedrigen Temperaturen den Akku (bzw. das Gehäuse) vorheizt, bevor mit der Ladung begonnen wird. Dies dürfte vermutlich dem 5V/40°C Heizelement FIT0844 von DFRobot funktionieren. Ich habe nun in den letzten Tagen sehr viel gelesen, in KiCad geklickt und dort auch versucht, mit dem eingebauten Simulator meine Schaltung zu simulieren; leider scheine ich unfähig zu sein, diesen korrekt zu bedienen (oder zu lesen). Auch fällt es mir schwer, den Widerstand für die Hysterese korrekt zu ermitteln und konkrete Modelle für Komparator und MOSFET zu bestimmen. Daher möchte ich nun hier einmal präsentieren "was ich habe" und meinen Gedankengang dazu präsentieren. Die Schaltung soll bei einem Widerstand des NTC "um 10°C herum" (18kΩ) schalten; gemäß Wertetabelle dürfte ein 10k-NTC mit 3435K Kennlinie folgende Widerstände haben: 10kΩ bei 25°C, 18kΩ bei 10°C, 22kΩ bei 5°C, 30kΩ bei 0°C. Daher ist der R11 mit 18k gewählt (Komparator soll bei 2,5V schalten). Nach meinem Verständnis dürfte (ohne Berücksichtung des Schmitt-Triggers) am Ausgang des Komparators demnach 5V anliegen, wenn der Widerstand des NTC >=18kΩ (d.h. unter 10°C) beträgt und 0V sonst. Die Größe des Hysterese-Widerstands R15 habe ich mit einem Online-Rechner für "2.4V - 2.6V" ermittelt. Aber keine Ahnung, wie ich das wieder auf °C umgerechnet bekomme und ob der überhaupt in der Nähe dessen ist, was ich möchte. Sinnvoll ist hier vermutlich etwas in der Größenordnung von ±2°C. Da die 1.8A des Heizelements zu viel sind für den gewählten Komparator (der TS912 kann max. 130mA am Output), benötigt ich noch einen MOSFET als Schalter, damit Heizelement und Indikator-LED von der Stromquelle direkt betrieben werden. Die Wahl fiel auf dem IRF7413 (n-Channel, schaltbar mit 5V, mind. 2A I_D). Also konkret: * Kann man das alles grundsätzlich so machen oder liege ich völlig daneben? * Sind Komparator und MOSFET adäquat gewählt? * Wie rechne ich um zwischen Temperatur und Widerstand bei der Hysterese? Besten Dank! Edit: Schaltplan doppelt hochgeladen und jetzt weiß ich nicht, wie man einen davon löscht. Sorry :(
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Sascha W. schrieb: > Auch fällt es mir schwer, den Widerstand für die Hysterese korrekt zu > ermitteln und konkrete Modelle für Komparator und MOSFET zu bestimmen. Falls du damit R15 meinst, der ist falsch angeschlossen. Ein Widerstand für die Hysterese muss immer als Mitkopplung wirken, d.h. auf den nicht invertierenden Eingang zurück wirken.
Falls du die Schaltschwelle nicht ändern möchtest, kannst du als Heizung auch ein PTC Element verwenden. Oder mit einem Bimetall schalten
Sascha W. schrieb: > Den Akku (3,7V LiPo/Li-Ion) eines ESP32, der das ganze Jahr im > (eingeschränkt wettergeschützten) Außenbereich laufen soll, möchte ich > per Mini-Solarzelle laden, sodass dieser dauerhaft autark läuft. Der mir > vorliegende Akku darf lt. Datenblatt bei Temperaturen zwischen 10°C und > 45°C geladen werden (entladen bis runter zu -20°C). > Da die 1.8A des Heizelements zu viel sind für den gewählten Komparator > (der TS912 kann max. 130mA am Output), benötigt ich noch einen MOSFET > als Schalter, damit Heizelement und Indikator-LED von der Stromquelle > direkt betrieben werden. Die Wahl fiel auf dem IRF7413 (n-Channel, > schaltbar mit 5V, mind. 2A I_D). Und woher sollen die 5V/1.8A für das Heizelement kommen? Von der Mini-Solarzelle oder aus dem Akku?
Warum willst du den Akku heizen, um ihn zu laden? Du wirst vermutlich mehr Energie verbrauchen, als von einer Solarzelle reinkommt. Wie groß ist denn diese "Mini-Solarzelle"? Für einen ESP32 mit teilweise deutlich über 200mA Stromverbrauch ist das der falsche Ansatz. Bei mir läuft seit Jahren ein Arduino Pro Mini ohne allem Schnickschnack (LED, Spannungsregler) mit einem LoRa-Modul an einer 100mm*60mm Solarzelle und einem 2500mAh-Akku. Allerdings schläft der Prozessor die meiste Zeit und wacht nur jede Minute auf, um Sensoren auszulesen und die Werte zu senden. Der Akku wird mit der üblichen Ladeschaltung Sommer wie Winter geladen und das ohne Probleme.
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Vielen Dank für eure Antworten. Rainer W. schrieb: > Falls du damit R15 meinst, der ist falsch angeschlossen. Vielen Dank. Habs korrigiert, siehe Anhang. Michael schrieb: > mit einem Bimetall schalten Macht es das nicht komplizierter, wenn ich die Temperatur möglichst nah am Akku messen muss und der NTC eh schon (für den PMIC) vorhanden ist? Loco M. schrieb: > Und woher sollen die 5V/1.8A für das Heizelement kommen? Von der > Mini-Solarzelle oder aus dem Akku? Ich weiß gar nicht mehr so genau, woher die 1.6A kamen; eine nochmalige genauere Recherche ergibt: Das PTC-Element von DFRobot kommt auf "2-3W" (5V), und ich habe hier noch eine chinesische Polyimid-Heizfolie gefunden, die mit "5V/1W" angegeben ist. Da hier ja nicht alle Verbraucher (Heizung, Akkuladung und der ESP32) "dauerhaft" parallel versorgt werden müssen, könnte die Stromausbeute aus der Solarzelle ausreichen. (Hoffe ich.) Aber um auf die Frage zu antworten: Ausschließlich aus der Solarzelle. Vielleicht war das Prefix "Mini" auch falsch gewählt, sie hat immerhin rund 23x20cm (6V, 5W lt. Datenblatt). Helmut -. schrieb: > Warum willst du den Akku heizen, um ihn zu laden? Weil ich nicht die Wiese abfackeln möchte, auf der der ESP32 betrieben wird. Meine Überlegung war: Wenn es kalt genug ist, dass der Akku nicht (innerhalb der Spezifikation) geladen werden kann, dann könnte man mit der vorhandenen überschüssigen und ungenutzten Energie aus der Solarzelle zuheizen und zumindest versuchen, die Temperatur anzuheben. (Wenn nicht, hat man zumindest nix verloren.) Aber wenn ich jetzt nochmal darüber nachdenke, müsste ich dann ja auch noch irgendwas bauen, um sicherzustellen, dass zunächst der "Hauptstromkreis" versorgt wird und der Heizung nur tatsächlich überschüssige Energie zur Verfügung gestellt wird. Hmm hmm. Helmut -. schrieb: > mit der üblichen Ladeschaltung Heisst das mit oder ohne Abschaltung bei zu niedriger Temperatur?
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Man kann LiLePO4 Akkus durchaus auch unter 0°C laden, muss aber den Ladestrom deutlich reduzieren. Leider findet man selten Angaben dazu seitens der Hersteller.
Sascha W. schrieb: > Ich weiß gar nicht mehr so genau, woher die 1.6A kamen; eine nochmalige > genauere Recherche ergibt: Das PTC-Element von DFRobot kommt auf "2-3W" > (5V), und ich habe hier noch eine chinesische Polyimid-Heizfolie > gefunden, die mit "5V/1W" angegeben ist. Da hier ja nicht alle > Verbraucher (Heizung, Akkuladung und der ESP32) "dauerhaft" parallel > versorgt werden müssen, könnte die Stromausbeute aus der Solarzelle > ausreichen. (Hoffe ich.) Ja ja, die Hoffnung stirbt zuletzt. Kannst ja mal einen Akku im Gefrierschrank herunterkühlen, und schauen wieviel Zeit deine Heizelemente benötigen, um ihn wieder in den Bereich von Plusgraden zu bringen. > Aber um auf die Frage zu antworten: Ausschließlich aus der Solarzelle. > Vielleicht war das Prefix "Mini" auch falsch gewählt, sie hat immerhin > rund 23x20cm (6V, 5W lt. Datenblatt). Und du glaubst, dass im Winter/Übergangsperiode, wenn du die Heizung am dringendsten benötigst, diese 5W zur Verfügung stehen? Ich schätze, deine Solarzelle wird ihre geringe Leistung nur noch in die Heizung stecken müssen, und dann keinen Überschuss mehr für das Laden des Akkus haben.
Vielleicht noch eine kleine Wärmepumpe bauen? Was macht das Gerät so wichtiges das man da unbedingt einen Stromfresser wie ESP32 braucht?
Sascha W. schrieb: > Auch fällt es mir schwer, den Widerstand für die Hysterese korrekt zu > ermitteln und konkrete Modelle für Komparator und MOSFET zu bestimmen. https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm Schaltung simulieren: https://hps.hs-regensburg.de/scm39115/homepage/education/others/Tools/LTspice_Einf%C3%BChrung.pdf
Es geht um ein Einzelstück Gerät? Da würde ich mir jetzt mal gar keinen Rüssel machen, und den (die) Zellen in Haltern zum Wechseln verbauen und lediglich thermisch ordentlich isolieren. Von der Kapazität musst du eh' so dimensionieren, dass der Klapparatismus mindestens 5..6Monate rein aus dem Akku läuft. Die Solarzelle dann so, dass sie im Sommer auch bei bedecktem Himmel pro Tag etwas mehr liefert als das System braucht. Dann kommst du übers Jahr, praktisch wird laden im Winter eher selten vorkommen. Und dann auch nur im Bereich der Ladeerhaltung... PS:Akkuspannung messen und mit übertragen...
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J. S. schrieb: > Stromfresser wie ESP32 Was empfiehlt sich denn stattdessen für LoRa, was drastisch weniger Strom benötigt als die 15uA im DeepSleep für mein ESP32-Board? Frank O. schrieb: > Schaltung simulieren: Ja, LTSpice hatte ich neben KiCad auch probiert. Leider ist es daran gescheitert, dass (in der von mir installierten Mac-Version) die Toolbar nur einen "Run"-Button enthält und damit sämtliche Anleitungen leider nicht anwendbar sind. Roland E. schrieb: > Es geht um ein Einzelstück Gerät? Ja.
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Sascha W. schrieb: > Was empfiehlt sich denn stattdessen für LoRa, was drastisch weniger > Strom benötigt als die 15uA im DeepSleep für mein ESP32-Board? Was zieht der im Normalbetrieb? Du hast ja schon ein Gehirn an Board, wozu also jetzt noch die Analogtechnik? Die Temperatur ändert sich nicht schlagartig, da reicht es doch alle paar Minuten mal draufzuschauen. Das kann auch der µC machen. Deine Solarzelle ist wie groß? Du hast das ganze sicher in einem Gehäuse sitzen, dass du bestimmt auch gedämmt hast? Du kannst doch einfach mal einen Test in der Gefriertruhe machen, sofern das Gerät da rein passt. Da sieht man wie viel Leistung du wirklich benötigst um im inneren des Geräts z.B. 5°C zu halten wenn es draußen -18°C (ohne Wind ;)) hat. Dazu die Box auf jeden Fall nicht direkt auf eine Fläche stellen, sondern ihr ein paar Abstandshalter verpassen, sodass sie in der Kältekammer quasi schwebt. Ich würde mehrere kleine Heizelemente verwenden, die du nacheinander anschalten kannst, je nach verfügbarer (Solar)-Leistung. Sollte die Temperatur unter einen Schwellwert fallen, schaltest du Element 1 an. Reicht die Leistung dann noch aus, dann komme Element 2 hinzu usw. Die Solarleistung kannst du entweder alle 2s messen und danach entscheiden, oder eben alle 30s, oder alle 2 Minuten. Hier muss der Kompromiss gefunden werden zwischen Länge der Schlafperiode und eventuell verpasster Abschaltung von Heizelementen. Es gibt heizbare LiFePo4 Akkus aus dem Caravan Bereich. Die verbieten das Laden unter 0°C und lassen die Energie stattdessen in Heizmatten fließen. Allerdings haben die keine Probleme mit begrenzter Leistung, da die Lichtmaschine deutlich mehr Leistung bereitstellt als die Heizmatten aufnehmen können.
Ich betreibe diverse autarke Aussengeräte wie LED-Strahler mit Bewegungsmelder, Wildkamera, Wifi-Überwachungskameras, usw. die ausschliesslich mittels kleinen PV-Panels zwischen 1 und 4Wp zzgl. normale 18650er Zellen versorgt werden. Weder bei den fertigen Kaufgeräten, noch bei meinen Eigenbauten wurde irgendwelche Rücksicht auf die jeweilige Temperatur genommen, dennoch laufen die meisten schon einige Jahre ohne jeden Mangel, bzw. alle seit Installation. Sollten ggf. Zellen "verfrüht" ausfallen, würde ich die ganz einfach austauschen, bevor ich da einen energie- und kostenintensiven Aufwand mit Heizung, Beschaltung und dafür natürlich vergrösserter Versorgung betreibe.
Die mit Solarzellen betriebenen Marsrover hatten doch dasselbe Problem, bei halber Solarkonstante, verstaubten Solarzellen und Nachttemperaturen unter -100°C. Die hatten auch Heizstäbe drin, nur wird man da nicht an die Schaltbilder und Spezifikationen kommen :-)
Wenn es wirklich so wichtig ist, es gibt Hersteller die Akkus herstellen die bei niedrigen Temperaturen geladen werden können. Natürlich für anständig €€€€. Beispiel https://www.grepow.com/low-temperature-battery.html Abgesehen von der Kleinigkeit, dass man die als Privatperson erst mal bekommen muss, würde ich den Aufwand für eine Bastelei nicht machen.
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