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Lichtspiele mit Solarenergie


In dem Versuch veranstalten wir eine Mini-LED-Show mit dem aus der Sonnenenergie gewonnenen Strom. Die Lichtenergie der Sonne wird mittels Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Wenn keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden, steht diese Energie grundsätzlich nur während der Sonneneinstrahlung zur Verfügung. Um das Problem zu umgehen, kommt in der Schaltung ein Akku, mit dem Energie gespeichert werden kann, zum Einsatz.
Das Prinzip der folgenden Schaltung ist schnell erklärt. Mit einem Solarpanel wird die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt und dem Akku zugeführt. Sobald Akku geladen ist, kann die Schaltung zu beliebigem Zeitpunkt (unabhängig von Lichtverhältnissen) aktiviert und die LED-Show gestartet werden.
Das Ein- und Ausschalten der Leuchtdioden wird vom Arduino Uno gemanagt. Arduino Uno stellt (gemeinsam mit den Leuchtionen) lediglich ein Beispiel eines Abnehmers dar. An die Schaltung, sofern die Spannung- und Leistungsverhältnisse richtig abgestimmt sind, kann jeder beliebige Verbraucher angeschlossen werden.

Solarpanel

Solarpanele

Solarpanele

Die Abmessungen des kleinen Solarpanels von Homengineer betragen 110 x 60 mm. Sein Gewicht liegt bei 100g. Das Panel liefert am Ausgang eine Spannung von 6 VDC. Bei einer Leistung von 1 W kann das Modul mit einem Strom bis zu 150 mA belastet werden. Die Solarpanels können sowohl in Reihe als auch parallel verschaltet werden. Der Einkaufspreis von solchen Modulen pendelt zwischen 5 bis 10 Euro.

Rückwand

Solarpanel Rückseite.

Waveshare Solar Power Management

Waveshare Solar Power Manager

Das Modul „Waveshare Solar Power Management“ ermöglicht das Aufladen eines 3,7 V Akkus entweder über ein Solarpanel oder einen USB-Anschluss. Am Ausgang steht eine Spannung von 5 VDC zur Verfügung. Der Ausgang kann mit 1A belastet werden. Die Ausgangsspannung kann an zwei Stellen abgegriffen werden. Die Bedienung wird durch zahlreiche Leuchtdioden, die den aktuellen Status anzeigen, erleichtert. An das Modul können Solarpanels von 6 bis 24 V angeschlossen werden. Der Ruhestrom des Moduls liegt unter 2 mA. Temperaturbereich beträgt -40 bis +85°C. Die Abmessungen des Moduls betragen 65,2 mm × 56,2 mm × 22,9 mm.

Rückseite

Rückseite

Auf der Rückseite des Moduls befindet sich MPPT SET-Schalter. Hier wird der Pegel des angeschlossenen Solarpanels (6V/9V/12V/18V/24V) eingestellt.

Anschlüsse

Anschlüsse

  • Für den Anschluss eines Solarpanels stehen zwei Zugänge zur Verfügung. Ein Panel kann über die DC-002-Buchse oder über zwei Schraubklemmen angeschlossen werden. Es können Module von 6 V bis 24 V angeschlossen werden.
  • Mit „USB IN“ steht ein USB-Ladeeingang zur Verfügung. Die Eingangsspannung beträgt 5 V.
  • Die Ausgangsspannung kann an zwei Punkten abgegriffen werden: entweder über USB-Anschluss oder zwei Anschlusspins (Raster 2,54 mm). Der Ausgang liefert eine Spannung von 5 VDC (Belastbarkeit bis 1 A).
  • Akku kann wahlweise über ein Batteriefach oder ein PH2.0 Anschluss angeschlossen werden.
  • Mit einem Batterieschalter kann der Akku ein- oder abgeschaltet werden.
  • Mit vier Leuchtdioden (Mitte unten), die als Batteriekapazitätsanzeigen fungieren, wird der aktuelle Spannungspegel des Akkus angezeigt.
    - Alle LEDs aus: U < 3,4 V
    - LED1 an: 3,4 V < U < 3,55 V
    - LED1 + LED2 an: 3,55 V < 3,7 V
    - LED1 bis LED3 an: 3,7 V < U < 3,87 V
    - Alle LEDs an: 3,87 V < U < 4,2 V
  • Drei LEDs (oben links) dienen als Ladeanzeigen des Solarpanels.
    - Solar Charge: LED an, wenn Akku über Solarpanel geladen wird.
    - Solar Done: LED an, wenn der Akku durch das Solarpanel voll aufgeladen ist.
    - Solar Warning: Die LED geht an, wenn Solarpanel falsch angeschlossen wurde.
  • Zwei LEDs (Mitte oben) dienen als USB-Ladeanzeigen.
    - USB Charge: Ein, wenn über USB geladen wird.
    - USB Done: Ein, wenn der Akku über USB vollständig aufgeladen ist.
  • Die LED „Battery Warning“ geht an, wenn Akku falsch angeschlossen wurde.


Akku

Die Rolle eines Energiespeichers übernimmt in der Schaltung ein 3,7 V Li-ion Akku. Seine Ladekapazität beträgt 800 mAh. Das bedeutet, dass der Akku in der Lage ist, 800 Stunden lang einen Strom in Höhe von 1 mA zu liefern. Ein Strom in Höhe von 100 mA stünde dementsprechend acht Stunden lang zur Verfügung.

Akku

Akku

Arduino Uno

Die Rolle des Abnehmers unserer kleinen Photovoltaik Anlage übernimmt Arduino Uno. Ohne weitere Verbraucher belastet Arduino Uno eine 5V-Spannungsversorgung mit ca. 85 mA. Zusätzlich werden an seine Ausgänge Leuchtdioden, die ebenfalls etwas Strom benötigen, angeschlossen. Da das Modul „Waveshare Solar Power Management“ mit seinen Anzeigeleuchtdioden gleicherweise als Stromverbraucher anzusehen ist, haben wir nach Einschalten mit einer Gesamtstromaufnahme von über 100 mA zu tun.

Arduino Uno als Verbraucher


Arduino


Schaltplan

Schaltplan

Schaltplan

Testschaltung

Testschaltung

Testschaltung

Das Programm

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// Lichtspiele mit Solarenergie
// Eine Schaltung mit Waveshare Solar Power Management
// Arduino UNO
// IDE 1.8.16
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bool On_Off;                                                // Umschaltmerker
int LEDs [] = { 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 };

void setup() {                                              // SetUp

    for (int i=0; i<8; i++ ) {
        pinMode(LEDs [i], OUTPUT);                          // Alle LEDs-Pins als Ausgänge
    }
}

void loop() {                                               // Hauptprogramm
  
    On_Off = !On_Off;                                      
    int LED = random (0, 8);                                // LED durch Zufall auswählen
    if (On_Off) {
        digitalWrite (LEDs [LED], HIGH);                    // LED ein
    } else {
        digitalWrite (LEDs [LED], LOW);                     // LED aus
    }
    delay (50);                                             // Wartezeit 50 ms
}

// *****************************************************************************************        


Mit dem „Waveshare Solar Power Management“ stehen uns drei Möglichkeiten, um die Schaltung mit Spannung zu versorgen, zur Verfügung. Zunächst kann man ein Solarpanel (oder mehrere) an „SOLAR IN“ anschließen. Hier wird eine Spannung von 6 V bis 24 V erwartet. Sobald ausreichend Lichtenergie zur Verfügung steht, geht Arduino an und das Programm wird automatisch gestartet. Die andere Möglichkeit ist es, das Modul „Waveshare Solar Power Management“ über Mikro-USB-Anschluß „USB IN“ mit Spannung zu versorgen. Schließlich, sofern ein aufgeladener Akku vorhanden ist, kann er die Rolle des Stromversorgers übernehmen. Der Akku wird mit dem „Battery Switch“ – Schalter zugeschaltet.
Gleichzeitig sorgt das Modul dafür, dass Akku aufgeladen wird. Dazu kann der Eingang „SOLAR IN“ oder „USB IN“ genutzt werden. Bei aufgeladenem Akku kann die Schaltung auch dann aktiviert werden, wenn die Lichtenergie nicht zur Verfügung steht.
Das Programm, mit dem hier einige Leuchtdioden ein- und ausgeschaltet werden, ist bei der Schaltung irrelevant und dient lediglich als ein Schönheitsanhängsel. Hier definieren wir sieben digitale Pins des Arduino als Ausgänge, an die farbige Leuchtdioden angeschlossen werden. In dem Programm werden sie dann im 50 ms-Takt per Zufall ausgewählt, ein- und ausgeschaltet.

Kurzvideo

Kurzvideo


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