Kleines Solarpanel + Ultrakondensator + Zener

Ich baue einen sehr kleinen "intermittierenden" Sensor mit geringem Stromverbrauch, der von einem winzigen Solarpanel und einem Ultrakondensator gespeist wird. Es arbeitet mit einer Spannung von 1,9 V bis 3,3 V, die übertragene Funkreichweite hängt jedoch stark davon ab.

Als ich einen LDO-Spannungsregler verwendete, musste ich eine niedrigere Spannung als nötig "zielen", damit er richtig funktionierte. Aber eine konstante Spannung ist in meinem Fall nicht erforderlich: Ich würde besser von einer höheren Leistung profitieren, wenn die Sonne viel scheint.

Was sind die Kompromisse, wenn ich den LDO-Regler wegwerfe und einfach die maximale Spannung mit einer Zenerdiode begrenze, wie unten gezeigt?

Ich möchte nicht, dass der Zener aufgrund seines Leckstroms Energie zieht, während die Schaltung im Leerlauf ist. Also habe ich es "vor" die übliche Schottky-Diode verschoben.

Außerdem verwende ich einen etwas höheren Zenerwert, um den Schottly-Spannungsabfall zu kompensieren, um die Kappe auf die maximale Spannung aufzuladen, der die Schaltung standhält.

Trotzdem habe ich das komische Gefühl, dass es einen Nachteil gibt. Bin ich einfach zu vorsichtig?

Außerdem wird das winzige Solarpanel unter Last wahrscheinlich nicht sein gefährliches 4V-Niveau erreichen. Eigentlich könnte ich sogar die MCU aufwecken, um eine Last zu halten, wenn die Spannung "zu" hoch ist, aber das ist ein riskanteres Geschäft, denke ich.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Schaut OK aus. Sie können wahrscheinlich mit Niedrigstrom-Zenern herumspielen (ON hat einige ausgezeichnete), vielleicht sogar zwei in Reihe, wenn Sie keine genaue Spannung finden und den Shottky fallen lassen, um etwas Spannung zu gewinnen.
Außerdem, wie viel Strom nehmen wir ungefähr auf? Können Sie sich etwas Ruhestrom für einen Regler leisten?
Stellen Sie den LDO auf 3,3 V ein. Wenn dies nicht möglich ist, sollte nur eine kleine und konstante Spannung (vielleicht 0,2 V) abfallen, sodass 1,9 V bei 2,1 V Eingang ausgegeben werden. HINWEIS: 3,6-V-Zener sind notorisch ungenau. Wenn Sie einen verwenden, erhöhen Sie seinen Wert (oft 5% Toleranz), sehen Sie sich die hinzugefügte Spannung von seiner (nicht sehr flachen) Steigung beim maximalen Strom der Solarzelle an, subtrahieren Sie die minimale Vf von D1 bei sehr niedrigem Strom (möglicherweise 0,1 V) und überprüfen Sie, ob Sie die Nennleistung Ihres Sensors nicht überschreiten.
@winny Ich habe 7,7 mA über einer 98-Ohm-Last und (unter greller Sonne) 7 V Leerlast gemessen.
Beobachten Sie übrigens die Leckage am Ultrakondensator.
@MoonCactus Gut. Was ist mit der Ladung? Andy hat meine Idee unten "gestohlen". Sie könnten mit einem Regler der TL431-Serie oder noch besser mit einem Abwärtsregler mehr Energie ernten, aber wenn Sie es einfach und linear halten möchten, würde ich trotzdem versuchen zu berechnen, ob es an Ihrer Stelle nur mit Zener und ohne Diode besser wäre.
@winny Sie können auf D1 nicht verzichten, aber Sie können es durch einen MOSFET ersetzen oder verbessern, wie Andy sagt. Eine Solarzelle im Dunkeln zieht in einer solchen Anwendung gerne eine vergleichsweise große Strommenge bis hinunter zu 1/3 oder sogar 1/4 der Open-Loop-Spannung.
@winny oops sorry - wollte nicht in den iving-Modus gehen!
@ pjc50 Ich stimme zu, dass der Ultrakondensator langfristig der schwächste Punkt als Speicher sein könnte, aber ich denke, er ist hier für kurze Funkübertragungsstöße (bis zu 70 mA) von Zeit zu Zeit gut geeignet. Wenn ich nachts einen Bedarf habe (nicht hier), würde ich wahrscheinlich zu einem LIR 2032 und einer kleineren Kappe wechseln.
@Andyaka Gerne geschehen :-)

Antworten (2)

Sie können einen Präzisions-Shunt-Regler verwenden, um einen "Zener" mit einem scharfen Anfangspunkt der Spannungsregelung zu erzeugen. Die TL431 (>= 2,5 V) oder TLV431 (>= 1,25 V) sind kostengünstig und werden das, was Sie wollen, gut machen.

Beachten Sie, dass der Spannungsabfall in der Schottky-Isolationsdiode D1 mit abnehmendem Strom abnimmt und viel geringer sein kann als die typischen 0,3 V, die bei Strömen von 10 mA auftreten. Dies kann bedeuten, dass eine 4-V-PV-Panel-Spannungsklemme fast 4 V am Supercap liefern könnte. Lassen Sie genügend Toleranz, um eine Beschädigung des Kondensators zu vermeiden.

Beachten Sie, dass Schottky-Dioden bei erhöhten Temperaturen sehr stark erhöhte Leckströme aufweisen können. Wenn die Diode neben dem PV-Panel und in voller Sonne war, kann dies in einigen Fällen relevant sein.

Die Verwendung der Diode D1 ist in diesem Fall sinnvoll, aber in manchen Systemen möglicherweise nicht unbedingt erforderlich. PV-Module, die bei sehr schwachem Licht beleuchtet werden, haben niedrige Sperrströme und entladen einen direkt angeschlossenen Kondensator nicht so schnell wie erwartet.

Der Teil über die Panels, die keine direkt verbundene Kappe entladen, klingt interessant, Russell - irgendwelche Links zu irgendwelchen Studien?
@Andyaka - beachte sorgfältig das " ... so schnell ..." :-). Der einzige Link, den ich geben werde, ist das Zeichen von Jonas ... - hoppla, nein, falsche Frage :-). Während es "im Nachhinein halb offensichtlich" ist, basiert es auf meinen eigenen Messungen. Ich war an der Produktion von kleinen tragbaren Geräten in mittelgroßen Mengen beteiligt und habe immer eine Schottky-Serie von Rechts wegen verwendet. Aber ich habe mit einem 250-W-30-Volt-Panel gearbeitet und spezifische Messungen ohne die Reihendiode durchgeführt. Bei sehr niedrigen Lichtpegeln ist der Rückstrom in der gleichen Größenordnung wie der Durchlassstrom optimal geladen. In den frühen Morgenstunden in einem dunklen Hof ...
... das ist 'sehr klein' . Ich habe tatsächlich LED-Laternen und CFL-Glühlampen verwendet, um Beleuchtungseffekte auf niedrigem Niveau zu testen. YMMV. Da Vpanel jedoch im unbelasteten Zustand nahe an Vmp bleibt, bis der Lichtpegel auf beispielsweise 5% des Maximums fällt, ist I reverse klein, wenn Vmp bei normalem Gebrauch sinnvollerweise größer als Vbat ist (z. B. Std "12V" -Anordnung von 18V-Panels und 12V-Batterie). . | Wenn die Batterie nur geladen wird, dann wird bei fallendem Licht Vpanel durch die Batterie geklemmt, wenn Voc > vBatterie und erlaubt nur einen Rückwärtsfluss bei sehr niedrigen Lichtpegeln.

Da das Solarpanel klein ist, kann es wahrscheinlich keine Ampere und wahrscheinlich nicht einmal Hunderte von mA erzeugen. Recherchieren Sie also auf dem Panel und schätzen Sie, wie viel Strom es in einem Zener von 3V3 erzeugen könnte, und vergessen Sie all die zusätzliche Spannung, die durch D1, die Serie, abfällt Schottky.

Wenn Sie garantieren können, dass das Panel nicht mehr als beispielsweise 70 mA erzeugt, können Sie einen präzisen und einstellbaren Zener wie den TL431 verwenden.

Wenn Sie beabsichtigen, D1 zu verwenden, um eine Rückladung in das Panel zu verhindern, können Sie dies mit einem MOSFET-Transistor ergänzen, der von der MCU gesteuert wird, um die Diode "kurzzuschließen" und einen geringeren Spannungsabfall zu verursachen.

Ja, dieses Panel kann sicherlich nicht mehr als ein Dutzend mA erzeugen (ich lese 7,7 mA bei 1-100 Ohm). D1 verhindert tatsächlich eine Rückladung. Schlagen Sie vor, einen MCU-gesteuerten MOSFET hinzuzufügen, um den Spannungsabfall von D1 zu vermeiden, aber erst, wenn die MCU läuft und über VCC Bescheid weiß? Schlaue Idee, schade, dass mir GPIOs schon ausgehen.
Es gibt Möglichkeiten für doppelt funktionierende IO-Pins - alles, was Sie brauchen, ist einer, der während des normalen Betriebs kontinuierlich umschaltet, und Sie können dieses Signal stehlen, um ein DC-Signal zu erzeugen, das das Gate ansteuern kann.
Ich glaube, es gibt auch einige Shunt-Regler mit sehr niedrigem Ruhestrom von TI, aber wie viel "niedrig" ist, hängt davon ab, was Sie denken.
Kleines Solarpanel + Ultrakondensator + Zener
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