Projektionswecker mit Solarbetrieb

So was kann auch mal 5 Euro kosten...

Da habe ich doch tatsächlich für 5 Euro einen Projektionswecker im Ausverkauf bekommen. Die fand ich schon immer sehr sinnvoll hatte aber schon genug Wecker die einfach nicht kaputt gehen wollten um endlich mal einen Neuen zu kaufen. Aber bei dem Preis war es egal. Nach Begutachtung des Teils war mir klar dass man denn nur sinnvoll im Dauerprojektionsmode mit Netzteil betreiben kann. D.h. das ganze Teil vor den Kindern geschützt hoch auf den Kleiderschrank gestellt mit dazugehörigem 3V Netzteil dran und an die Decke projizieren lassen. Aber da war nirgends eine Steckdose in der Nähe, den vor genau der Selbigen stand der Kleiderschrank… hmm. Das Netzteil hatte im Leerlauf schon 1,5W. Das macht so etwa 3 Euro Stromkosten p.a. und die Lichtleistung der Projektions-LED war auch ganz gut so dass in dunklen Nächten es schon wieder störend hell an der Decke leuchtet.

Mit anderen Worten: mal wieder was zum Basteln.

Ziel war es wie immer mit Bauelementen auszukommen die schon vorhanden waren.
Ich hatte ein 1,5Watt Solarpanel aus einem defekten Solargartenspringbrunnen. Da waren die Schleifkontakte beim vergossenen Billig-Motor abgenutzt. Das Panel ist eine Dünnschichtzelle welche zwar einen schlechten Wirkungsgrad hat aber da meine Schlafzimmer-Fensterfläche sehr groß ist darf das Modul auch ruhig ein bisschen größer sein. Nach meiner Rechnung sollte ein 1,5W Modul locker reichen um den Wecker zu betreiben. Der braucht im worst case 1Wh pro Nacht aber im Durchschnitt nur 7mA*3,6V*12h = 0,3024Wh.

Installation im Schlafzimmer: Wecker der an die Decke beamt und Solarpanel am Fenster befestigt mit Saugnapf und Sicherungsschnur (ich vertrau den Saugnäpfen nicht ... ;-) )

Ich wollte das ganze mit Li-Ion Akku aufbauen da ich davon reichlich habe, die von der Ladecharakteristik nicht allzu kompliziert sind und sie bei richtiger Handhabung sehr lange Standzeiten und viele Ladezyklen erreichen. Mehr dazu unter der Rubrik Li-Ion Akku.

Somit habe ich als erstes eine Schaltung entworfen die mir den Akku lädt. Dazu muss man wissen, dass in militärischen Anwendungen Li-Ion Akkus oft nur bis max. 3,9V geladen werden. Dadurch ergibt sich zwar ein Kapazitätsverlust von 1/3 aber die Lebensdauer wird etwa um den Faktor 3 erhöht. Und genau das brauch ich bei meiner Solarlösung denn ich will ja nicht jedes Jahr (365 Ladezyklen) den Akku wechseln müssen. Auch wird die Lebensdauer des Akku erhöht wenn man ihn nicht zu tief entlädt und da verliert man wieder etwas von der nutzbaren Kapazität. Aber Standfestigkeit hat Priorität denn ich kann ja einfach einen überdimensionierten Akku verwenden und habe damit das Kapazitätsproblem gelöst. Zum Einsatz kommt also ein ausgeschlachteter Li-Po (1500mAh) mit noch gemessenen 900mAh (siehe Beitrag Akku-Monitor) von dem effektiv etwas weniger als 500mAh genutzt werden können aufgrund der niedrig dimensionierten Ladeschlussspannung von 3,9V und der hoch dimensionieren Entladeschlussspannung von 2,9V.

So wurde folgende Schaltung entworfen.

 

Solarversorgung mit Ladeschaltung, Unterspannungsabschaltung, Dämmerungsschalter und Dimmer für Projektionswecker

     

Ein Ladespannungsbegrenzer für 3,9V durch simple Shuntregelung mit Tl431 (den 431 findet man u.a. in jedem PC-Netzteil) und einem Leistungstransistor Q1 der die überflüssige Solarenergie verbrät. Zur Entlastung wurden noch 5 1A Si-Dioden als Arbeitswiderstand gegeben welche noch einen Teil der Energie aufnehmen und gleichzeitig genug Spannungsabfall erzeugen um ein Ladeabschaltrelais durchzusteuern. D.h. wenn der Akku seine vorgegebenen 3,9V erreicht hat wird die Ladung beendet. Kurz vor Ladeschluss leuchtet schon mal Led1 um anzuzeigen dass der Akku fast voll ist. Bei genügend Überspannung (d.h. genügend Sonne und geringer Stromabnahme durch den Akku) schaltet dann das Relais den Akku ab und eine Led3 ein. Dann ist klar: Akku voll. Maximal muss man damit rechnen, dass die Schaltung bei optimaler Sonneneinstrahlung und vollem Akku 1,5W verbraten muss.

Dann kommt eine 1A Schottkydiode als Rückflussschutz damit sich der Akku nicht bei Nacht über die Solarzelle entlädt. Diese Diode ist unkritisch, wenn man wählen kann sollte man ein Exemplar mit geringem U fluss wählen.

Ladeelektronik und Unterspannungsabschaltung für den Li-Po

Nach dem Akku kommt die Unterspannungsabschaltung bei 2,9V. Diese Schaltung kann man gut mit einem Transistor und einem MOSFET realisieren. Ich habe sie aber mit 2 MOSFET entworfen, da ich ziemlich viele DUAL N- und P-Channel SMD-MOSFET aus Computerschrott habe. So was ist auf allen möglichen PCI-Karten, Harddisks, und vor allem Motherboards insbesondere von Laptops zu finden. Die stecken immer in einem SO-8 Gehäuse und sind noch gut verarbeitbar von der Größe her.

Über eine einstellbare (Poti) Spannungsreferenz wird entsprechend die Plusleitung unterbrochen bei Erreichen des unteren Schwellwertes von 2,9V und aufgrund einer Hysterese von etwa 0,3V wird auch wieder eingeschalten nach Ansteigen der Akkuspannung auf 3,2V. Diese ganze Mimik wurde frei verdrahtet und direkt an der Solarzellenrückwand mit Klebestreifen inklusive Akku, welcher durch zwei dicke Drahtklammern gehalten wird, angebracht.

Komplettansicht der am Fenster montierten Solarzelle mit rückseitig angebrachtem Li-Po und der Akku-Management Elektronik

Von da geht das zweiadrige dünne Kabel (fließen ja nur max. 25mA) zum Wecker… genauer zum Stecker. An diesem habe ich einen Sub Miniatur Dämmerungsschalter angebaut. Hätte man auch alles in den Wecker bauen können aber ich wollte es mal besonders klein :-). Der Dämmerungsschalter hat ein SMD-Potie (aus altem PC-Diskettenlaufwerk) zum Helligkeitsschwelle einstellen. D.h. bei Tag wird die Stromversorgung des Weckers unterbrochen (sieht man eh nichts an der Decke da Tageslicht viel zu hell und an trüben Tagen die ganze Solarenergie zum Laden des Akkus benötigt wird). Der Dämmerungsschalter wurde frei verdrahtet und mit SMD-Bauelementen realisiert. Einzig der Fototransistor ist ein normal Bedrahteter welcher aus einem offenen Optokoppler stammt (findet man in alten Diskettenlaufwerken, Druckern…). Aufgrund der möglichen Spannungsschwankungen (2,9V – 3,9V) für den Dämmerungsschalter wurde eine etwas präzisere Spannungsstabilisierung für den Fototransistor nötig. Ich habe mal eine „Z-Diode“ mit 2,5V Z-Spannung kreiert (im grauen Bereich) welche sehr konstant ist bei niedrigen Strömen und aus N-Channel FET + 1MOhm + Si-Diode + LED besteht. So was gibt’s auch fertig zu kaufen aber ich hatte es halt nicht da…

Stecker mit integriertem Dämmerungsschalter (aus SMD Bauelementen aufgebaut)

Zum Schluss wurde noch eine Schaltung in den Wecker eingebaut welche die umgebungshelligkeitsabhängige automatische Strom-Regelung (4mA bis 22mA) der Projektions-LED ermöglicht. Damit stört die Dauerprojektion in dunklen Nächten nicht mehr. Weiterhin wurde noch eine Schaltung designt die eine Abschaltung der externen Solarstromversorgung bewirkt für den Fall, dass man im Wecker Batterien eingelegt hat und auf den Projektionsknopf drückt. Das ist wichtig damit die Projektions-LED nicht zu viel Strom bekommt (Batterie + Solarversorgung) und abraucht… die scheint nämlich nicht auswechselbar. Das kann man aber auch weglassen wenn man nicht vor hat Batterien für die Projektion in den Wecker einzulegen. Der Wecker selber läuft mit 1,5V aus einer AA-Batterie welche nun schon seit 5 Jahren ihren Dienst tut.

Der Li-Po welcher jetzt schon seit 3 Jahren im Einsatz ist bietet genug Reserve um auch mal eine ganze trübe Woche zu puffern. Insgesamt funktioniert die Lösung sehr gut... da freut sich sogar auch mal meine Frau über die Uhrzeit an der Decke.