Pflanzen-Trocken Alarm wartungsfrei

Version 3 im Einsatz

Probleme gab es immer wieder mit vertrockneten Pflanzen weil vergessen wurde sie zu gießen.
Mir bekannte elektronische Trocken-Warner hatten immer das Problem das man eine Batterie braucht (die man dann doch vergisst auszuwechseln wenn sie leer ist) oder das die Elektroden dauer- bestromt werden und sich recht schnell galvanisch zersetzen (fraglich ob die Zersetzungsprodukte gut für die Pflanzen sind). Dagegen hilft zwar eine Graphit-Elektrode (Bleistiftmiene) aber als wartungsfrei würde ich die Lösung wegen der Batterien nicht ansehen.
Ich hatte letztens eine schöne Idee im Netz gesehen wo über sekündliche Impulse der Erdwiderstand gemessen wird um die Elektroden zu schonen. Die Schaltung selber gefiel mir nicht da sie 9V benötigte und mit OPV's aufgebaut war. Ich hatte mir dann Gedanken gemacht wie ich das ganze mit einem 74HC14 umsetzen kann. Dabei sind 4 Varianten herausgekommen wobei ich kurz Version 3 mit Tonsignal und Version 4 mit Lichtsignal bei Trockenheit vorstellen will.


Version 3 mit Tonsignal bei Trockenheit

Prinzipiell sind beide Versionen gleich aufgebaut: ein Oszillator X5/X6 der alle 3 Sekunden kippt.
Die Flanken des Signals werden in Nadelimpulse gewandelt so das alle 6Sek. ein positiver Nadelimpuls am Eingang eines monostabilen Multivibrators (X9/X12) anliegt. Der negative wird durch D3 kurzgeschlossen und nicht beachtet. Ist der positive Impuls stark genug so wird der monostabile Multivibrator ausgelöst und es steht ein 50msek. langer Impuls am Ausgang von X12 an. X13 bildet einen Oszillator mit 4kHz (Resonanzfrequenz des Piezo-Resonators C14) und dieser wird nur während der 50ms vom monostabilen MV freigeschalten. X14 dient als Ausgangstreiber so das letztlich alle 6 Schmitt-Trigger des IC 74HC14 Verwendung finden.
Ob der Eingangsnadelimpuls am monostabilen MV stark genug war ihn auszulösen oder nicht hängt von der Erdfeuchte (Dämpfungswiderstand R17) ab. Je feuchter die Erde desto geringer der Widerstand R17 und desto stärker die Dämpfung der Nadelimpulse. R17 besteht also in Wirklichkeit aus 2 Erdelektroden (dünne feste Drähte) mit etwa 1cm Abstand und 8cm Länge. Durch die niedrige Betriebsspannung 0,8V-3V, die Kürze der Nadelimpulse und der Tatsache das alle 3 Sek. ein positiver und negativer Nadelimpuls abwechselnd anliegt, sollte sich die galvanische Zersetzung der Elektroden in Grenzen halten.
Mit X22 kann noch der pflanzenspezifische Trockenheitsgrad (Stärke der Nadelimpulse) festlegen werden. Also am besten die Pflanze mal trocken sein lassen und dann X22 so einstellen, dass der Alarm gerade losgeht.
Ergebnis bei Trockenheit ist also alle 6Sek. ein 50msek. langer Piep-Ton vom Piezoresonator C14 (gut eignen sich z.B. solche aus den musikmachenden Glückwunschkarten etc.). Das hört man sehr gut und die Schaltung funktioniert mit einem sehr geringen Betriebsstrom von etwa 5uA bei 1,5V und 20uA bei 2,5V im Leerlauf d.h. bei Erde "nass". Wenn es trocken ist steigt die Stromaufnahme etwas da der Ton erzeugt werden muss. Die Schaltung eignet sich bestens für Solarbetrieb da man so 2 Probleme löst:
1.) man braucht keine Batterie mehr  -->  wartungsfrei
2.) der Alarm kann in der Nacht beim schlafen nicht plötzlich losgehen und nerven.
Will man trotzdem Batterien verwenden muss man noch die Schaltung daneben (mit X15) als Zusatz bauen welche auch bei Nacht die Stromversorgung kappt. Beschreibung siehe Bild...
Als Solarzelle eignen sich hervorragend welche aus alten Solargartenlampen (die für 1-2Euro) welche eine Leerlaufspannung von mind. 2V erreichen sollten und 1-2mA abgeben. Dann muss man nur noch einen 100uF Elko/ Tantal-C zusätzlich (nicht im Schaltplan!) über die Betriebsspannung des IC legen als Puffer für die Solarspannung wenn es piepen sollte. Ohne diesen Puffer-Kondensator würde bei ungünstigen Lichtverhältnissen nicht genug Strom von der Solarzelle geliefert für ein lautes "Pieep".
Interessant ist das ein Relaxations-Oszillator mit einem Schmitt-Trigger deutlich mehr Stromverbrauch hat als ein Oszillator aufgebaut mit 2 Schmitt-Triggern.
Zusammengebaut habe ich das ganze in "direkter SMD-Technik" lol ... sieht zwar schei$&# aus geht aber schnell und funktioniert ganz zuverlässig. Wenn das kleine SMD-Poti nicht wäre sollte man das ganze in Heiß-Kleber eintunken... dann wäre es wasserbeständig wenn beim gießen mal nicht aufgepasst wird.



Version 3 mit Ton und Solarbetrieb

Version 4 ist fast gleich bloß dass sie kein Tonsignal abgibt (somit kann man sich den 4kHz Oszillator sparen) sondern einen LED-Blitz. Dafür dient eine Low-Power LED (die roten LED's aus optischen Mäusen sind bestens geeignet). Die sollte schon bei Ufluss < 1,8V und 2mA hell leuchten. Weiß oder Blau eignet sich nicht da diese LED die kleinstmögliche Betriebsspannung bestimmt. Diese Schaltung braucht also mindestens 1,8V damit die LED noch alle 6Sek. für 35msek. aufblitzen kann.

Version 4 mit Lichtsignal und Solar

Die LED verbraucht deutlich mehr Energie als der Piezo-Pieper. Deshalb wurde die Aufblitzzeit auf 35msek. verringert (C17) um dem geringen Energieaufkommen einer kleinen Solarzelle gerecht zu werden.
Rein optisch wird wohl ein kurzes Aufblitzen von mind. 30msek genauso hell wahrgenommen wie längere Blitze. Erst unter 30msek erscheinen die dann dunkler trotz gleicher Intensität.



Version 4 in "Direkt-SMD-Technik" aufgebaut :-)

Da das ganze ohne Batterie und nur mit Solar funktionieren soll wäre eine Funktion nur bei Tag recht fragwürdig. Also muss tagsüber die Energie in einem SuperCAP gespeichert werden und erst mit einsetzender Dunkelheit soll die Schaltung anfangen im 3 Sek. Rhythmus zu schwingen.
Das erreicht man indem ein Fototransistor/(Fotowiderstand) (R32) in den Oszillator aus X16/X17 eingefügt wird. Dieser stoppt den Oszillator wenn er kleiner als 1,1MOhm wird (bei Tag) und gibt den Oszillator wieder frei wenn er größer als 1,2MOhm ist (Nacht). D.h. Tagsüber schläft die Schaltung mit einem Ruhestrom von etwa 3uA bei 3V und die Solarzelle lädt nur den SuperCAP auf. Bei Dunkelheit dient die gespeicherte Energie des S.CAP zum Betrieb der Schaltung und da kann man dann auch die bei Trockenheit auftretenden roten Lichtblitze gut sehen.
Eine Einstellung des "Trocken-Faktors" ist auch hier ratsam mit Poti X21 wie bei Version 3 beschrieben.


Version 4 im Einsatz

Wenn man ein Solarzelle verwendet die bis 5V/2mA liefert und den S.CAP (0,22F) auf etwa 3V auflädt dann funktioniert die Schaltung nach einsetzen der Dunkelheit etwa 4 Stunden lang bei Trockenheit (d.h. mit Blinken).
Nicht vergessen sollte man eine Kleinsignal Schottky Diode (genauer Typ völlig unkritisch solange Ir <3uA und Ufluss nicht zu gross d.h. < 0,4V) zwischen Solarzelle und S.CAP damit sich bei Dunkelheit der S.CAP nicht über die Solarzelle entlädt.
Achtung: Solarzelle +Schottky Diode +S.CAP wurden im Schaltplan nicht dargestellt und da manche S.CAP's nicht so hohe Ströme für den LED-Blitz liefern können empfiehlt sich ein Puffer-C mit 100uF direkt über Ub des 74HC14.
Durch Vergrößern der Solarzelle und des S.CAP kann man natürlich auch länger Laufzeiten erreichen aber darauf achten, dass ein 74HC14 mit max. 6V betrieben werden sollte.



Version 4 es wurden 2 Solarzellen aus Taschenrechnern in Reihe geschalten um max. 5V zu erhalten,
gut zu erkennen der SuperCAP (0,22F/5,5V) welcher direkt an die Solarzellen montiert wurde.

Version 4 Gesamtaufbau

Elektronischer Würfel mit Ausroll-Effekt und Würfel-Sound

Die Winterzeit fängt an und die Kinder sind in das Würfelspiel-Alter kommen. Bei den letzten Spielen wurde auch ganz schön geschummelt von meinen Frauen. Jetzt war es jetzt so weit, ein nicht manipulierbarer Würfel musste her.
Nach einigen Recherchen was es so gibt habe ich mich entschlossen einen Würfel mit Ausroll-Effekt Klacker-Sound und echten Würfel-Punktaugen zu entwickeln. Das ganze mit Bauteilen aus altem Elektroschrott. Das ganze sollte in das Gehäuse einer alten batteriebetriebenen Lampe passen. Diese Lampe ist wie ein Buzzer-Button gestaltet und kann auch gedrückt werden (EIN/AUS-Schalten).
Anforderungen waren:  

• Betrieb mit 2* 1,5V Akku/Batterie d.h. 1,7V-3,2V,
• möglichst geringe Stromaufnahme (max.25 mA) damit die Akkus lange halten,
• kein separater EIN/AUS-Schalter den man nur vergisst,  sondern automatisches Abschalten nach 5min

Als Spannungsquelle wurde gleich mal die Schaltung aus dem Kapitel "Step-UP mit Solar-Lampen" genommen. Damit stehen schon mal 3,5V bei max. 25mA zur Verfügung.



die Spannungsversorgung

Natürlich kann man auch eine andere Stromversorgung ohne Step-UP Wandler realisieren solange man mind. 3V Versorgungsspannung gewährleisten kann.

Step-UP Wandler als Modul

Als EIN-Schalter dient der gleiche Taster der auch den Würfelvorgang startet. Das automatische Abschalten erfolgt über eine Halteschaltung nach etwa 7 min.
Der Taktgeber wird durch einen diskret aufgebauten Multivibrator realisiert welcher schon ab 1V läuft und mit etwa 2mA auskommt.

Taktgenerator mit Ausroll-Effekt als Modul

Als Zähler wurde die Variante mit einem 4017 gewählt da sie aufgrund ihrer Einfachheit eigentlich nur noch von einem µP übertroffen wird. Ich habe die Logik mal nachvollzogen und kann versichern das alle Zahlen von 1-6 mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auftreten.
Zur Anzeige wurden weiße Led's aus einer alten Led-Birne genommen welche schön hell bei 1,5mA @ 2,6V leuchten.

realisierte Würfelschaltung

Weitere Erklärungen stehen im Textfeld des Schaltbildes. Wichtig zu wissen ist noch dass V4 und V2 in Wirklichkeit nicht existieren... sie dienten nur für die Simulation. Als Transistoren können nahezu beliebige Kleinleistungstransistoren genommen werden. Einzig kritisch ist das Mosfet X2 den sein Uth bestimmt die minimal mögliche Batteriespannung also da unbedingt mal ins Datenblatt des jeweiligen verfügbaren Typen schauen und etwas mit Uth < 1,7V wählen.
Zu dem Buzzer muss noch gesagt werden das er im Würfel-Takt für jeweils etwa 5ms angesteuert wird. Es sollte also ein kleiner Buzzer sein der in 5ms bereits anschwingt und Lärm macht... das klinkt dann ähnlich einem "klack". Er sollte auch nicht mehr als 20mA @3V aufnehmen. Das kann z.B. auch ein Melodiegenerator aus einer Grußkarte etc. sein. Muss man nur probieren ob der schon Krach innerhalb von 5ms macht.
Wenn man keinen Sound will dann kann man R24, X8 und den Buzzer auch ganz weglassen.
Aufgebaut wurde das ganze in der alten Lampe und der dort verbaute EIN/AUS-Schalter wurde durch einen Taster ersetzt welcher zwei unabhängige Schalter hat (S3 und S1).

Würfel fertig aufgebaut
Links oben Spannungsversorgungsmodul (Step-UP) davor der kleine Buzzer
Links unten Taktgenerator mit Ausroll-Effekt
Rechts unten Logik-Modul mit 4017
Rechts oben Anzeige-Led's mit Vorwiderständen
  

Step-UP mit Solarlampen IC's CL0116, YX805, YX8018...

 

 

Leiterplatten aus Solarlampen

Ich bekomme öfter ausrangierten Garten Solar Lampen. Da lohnt es sich auch mal die verbauten IC’s genauer anzuschauen ob man damit noch was Sinnvolles machen kann, denn sonst sind nur die kleinen Solarpanele weiter verwendbar.

Meist sind vierbeinig IC’s verbaut welche z.B. CL0116, YX805 oder YX8018 heißen. Zunehmend sind auch direkt auf die Leiterplatte montierte Chips verbaut ohne jegliche Bezeichnung welche aber oft den genannten sehr ähnlich sind bzw. denen entsprechen.

Datenblätter sind nur sehr rudimentär vorhanden mit wenigen Informationen und teilweise nur in chinesisch da diese Chips scheinbar auch nur in Fernost produziert werden.

Hinweis: auf dem CL0116 steht nur 0116 zumindest bei meinen Modellen.

Als Beispiel mal ein Datenblatt…

Beispiel Datenblatt  CL0116

Nach etwas rumprobieren scheinen diese IC’s recht brauchbar als Step-UP Wandler für kleine Ströme bis max. 80mA und max. 5V.

Die Induktivität muss je nach IC-Typ für gleichen Strom angepasst werden.
Bei dem YX805 gab es manchmal Probleme mit dem Anschwingen.

Beispiel Datenblatt YX805

Eigentlich sind die IC so gedacht, dass sie einen simplen Step-UP Wandler darstellen der je nach Induktivität und Eingangsspannung einen halbwegs konstanten Ausgangsstrom erzeugt um damit eine LED zu betreiben.

 

Beispiel für die einsetzbaren Induktivitäten

Bei schwankender Eingangsspannung, welche zwischen 0,8V - 3,5V liegen kann (zumindest bei „meinen“ CL0116 und YX…), schwankt auch sehr stark der Ausgangsstrom. Beispiel gemessen: 0,8V à 5mA   ;   3V à 50mA. Entsprechend schwankt dann auch die Ausgangsspannung wenn man nicht gerade eine Konstantspannungslast (LED…) treibt.

Wenn das egal ist sieht eine Anwendung z.B. so aus wie sie auch in einigen Datenblättern zu finden ist.

 

ungeregelte Version d.h. Ausgangsspannung ist lastabhängig

Das war für meine Zwecke aber nicht befriedigend also musste eine Regelung der Ausgangsspannung her. Nach einigem Experimentieren war klar, dass der SOL-Eingang (Plus vom Solarpanel) ganz gut geeignet ist für eine Regelung. Normalerweise dient der dazu den Wandler zu stoppen wenn eine Spannung an SOL detektiert wird (Solarpanel hat Licht d.h. LED kann abgeschaltet werden da Tag ist).
Je nach IC Typ funktioniert die entworfene Regelung besser oder schlechter. Am besten ging bei mir der CL0116. Die einfache Schaltung mit Ausgangsspannungs-Glättung (L2/C4) sieht dann so aus.

einfache Version mit Uaus 5V und max. 60mA bei mind. 1,7V Uein

Durch den Optokoppler X1 (Typ unkritisch z.B. 817) wird bei Erreichen der gewünschten Ausgangsspannung der Wandler kurz abgeschaltet und er schaltet wider ein wenn die Spannung absinkt. D.h. die Ausgangsspannung wird konstant gehalten ist aber etwas wellig.
Über den Wert der Z-Diode wird die maximale Ausgangsspannung eingestellt. In etwa gilt Ufluss Z-D. + Ufluss Optokoppler-D. + Ufluss LED  = MAX Ua.
Die rote Led kann auch weggelassen werden und entsprechend die Z-Spannung der Diode um 1,6V erhöht werden. Vorteil der verwendeten roten Led ist, dass sie gleich noch als Batterieindikator/Bereitschaftsanzeige genutzt werden kann. Es sollte ein Low-Power Typ sein der schon bei 2mA hell leuchtet.
Über den Widerstand R4 kann man ein Feintuning der Ausgangsspannung vornehmen (+- 0,5V). Der kann im Bereich von 200 Ohm bis 5KOhm liegen.
Mit diesem Wandler kann man gut kleine Schaltungen betreiben mit einer oder zwei 1,2V bzw. 1,5V Zellen d.h. 0,8V-1,6V oder 1,6V-3,2V. Machbar sind Ströme bis etwa 80mA an 3V und immerhin noch 60mA an 5V… einstellbar mit der Größe der Induktivität. Diese Werte sind aber abhängig von dem jeweiligen IC und Hersteller. „Meine“ YX805 und CL0116 entsprechen z.B. nicht genau den Datenblättern die ich fand. D.h. man muss selber probieren welche Induktivität notwendig ist um einen entsprechenden Strom/Spannung zu erzeugen.
Bei einigen Exemplaren stellte ich bei Induktivitäten kleiner als 100uH und Eingangsspannungen größer 2,7V eine Art Überlastverhalten fest was zu einer stark erhöhten Stromaufnahme und damit Überhitzung des IC führt. Also wenn man sicher sein will das unbedingt vorher ausprobieren!
Ob Spannungen über 5V dauerhaft zulässig sind weiß ich nicht aber laut Datenblatt wohl eher nicht.
Die Regelung ist mit einem CL0116 recht stabil d.h. 0,1V Schwankung, bei einem YX805 waren es 0,3V.
Die Welligkeit der Ausgangsspannung ist mehr oder weniger stark…. je nach Last d.h. wie stark die Regelung einsetzen muss. Aber der Stromspareffekt im „Leerlauf“ ist enorm: die Stromaufnahme sinkt auf etwa 10%. Der Wandler an sich hat einen Wirkungsgrad um die 75%.

Ich wollte es noch etwas geglätteter um damit einen elektronischen Würfel zu betreiben an 2x 1,5V Batterien (1,6V-3,2V) der zwischen 5mA und 25mA aufnimmt bei maximal 3,5V (danach wird abgeregelt). Die Luxusvariante mit Ausgangsspannungs-Schwankungen von nur 60mV sieht dann so aus. 



Geregelte Variante mit geringer Ausgangswelligkeit

Auch hier für die blaue Led am besten einen Low-Power Typ verwenden, damit sie gleichzeitige noch als Bereitschafts-Led genutzt werden kann.

Das Ganze wurde gleich auf die Minileiterplatte aus der Solarlampe aufgebaut und sieht dann so aus.

Step-UP mit geregelten 3,5V und max. 25mA bei mind. 1,7V Uein

DSO PM3323

Ich habe ein  PM3323 Digital Storage Oscilloscope bekommen welches 1990 wohl eines der besten von Philips war. 

Die Eckdaten sind: 2Kanäle, 300MHz, 500 MS/s, 10bit vertikale Auflösung. Das kann sich auch für heutige Verhältnisse sehen lassen. Ein großer Nachteil ist leider die Größe mit HxBxT 18x42x57. Ein so tiefes Gerät bekomme ich kaum unter an meinem Bastelarbeitsplatz.

Leider war es defekt, auf beiden Kanälen nur Rauschen und starkes undefiniertes Schwingen.

Nach einer Recherche im Internet fand ich das ein Hauptproblem defekte SMD-Elkos sein sollen. Nachdem ich ein Service Manual für das PM3323 besorgt habe schwante mir nichts Gutes. Sooo viel Elektronik… da dauert die Fehlersuche bestimmt ewig wenn’s nicht bloß die Elkos sind. Also habe ich mal mit den Elkos angefangen und eine Überraschung erlebt. Alle SMD-Elkos 10u/16V waren total hin. Teilweise ausgelaufen und Kapazität fast immer 0%. Die mussten alle raus was immerhin so etwa 45 Stück waren.

gut zu erkennen die kleinen silbernen SMD-Elko’s

Dann habe ich auch die normalen axialen Elkos überprüft und da stellte sich heraus, dass alle im Bereich von 10u bis 220u und Spannungen kleiner 100V ausgewechselt werden mussten! Die hatten oft schreckliche ESR (>5Ohm) und Kapazitäten von nur noch 10% - 50%. Auch der Versuch die wieder zu formieren brachte nichts. Das waren noch mal so geschätzte 120 Elkos. Ohne Ausnahme alle aus Philips eigener Produktion. So was hatte ich nicht erwartet. Vor 25 Jahren hätte ich gerne meine Frolyt Elkos gegen ach so tolle Philips eingetauscht – jetzt sehe ich das anders.  

auf allen Leiterplatten verstreut blaue axiale Elkos...

die mussten fast alle ausgewechselt werden

Erstaunlicherweise waren die großen Elkos im Netzteil mit mehr als 220u und einige kleinere die 6,8u/100V hatten aber noch top fit und auch die verbauten Tantal Elkos scheinen alle ok.

die großen Netzteil-Elkos waren noch ok

Nach der mehrere Tage dauernden Tauschorgie (bei manchen von den 30 Leiterplatten dauert das aus- und einbauen schon 30min) lief das Teil wieder.

Alles Schrott …

Hura da war keine echte Fehlersuche nötig und abzugleichen gab es auch nicht viel, da alles noch im Großen und Ganzen kalibriert war.

Was noch nervte war der recht laute Lüfter den habe ich durch einen ersetzt der deutlich leiser den gleichen Luftstrom erzeugt.

TY3150 LCD-Spannungsanzeige

preiswertes Spannungsanzeige Modul

Ich habe mir für meine 12V Solaranlage im Garten ein LCD Voltmeter für 7,5V - 20V im Internet gekauft weil es so schön preiswert war.

Nach ein paar Tests muss ich sagen das es wirklich ein super Preis/Leistungsverhältnis hat denn es tut alles zur vollsten Zufriedenheit mit der notwendigen Genauigkeit die man für 3,50- € erwarten kann (meins war auf 0,2V genau geeicht). Also ich kann nicht meckern was aber nicht bedeutet das man da noch was dran verbessern kann ;-)

Da leider der eingesetzte IC nicht ermittelt werden kann hat man auch kein Datenblatt. Aber wenn man sich die Schaltung etwas genauer ansieht begreift man schnell was so noch möglich ist.

original Bestückung

Das Modul bezieht über die Diode (D1) und einen Spannungsregler 78M05 seine Versorgungsspannung. Das lässt die Vermutung nahe liegen dass 5V als Versorgungsspannung für den IC immer notwendig sind. Und tatsächlich wenn man die Diode auslötet und direkt +7V an den 78M05 legt dann kann das Modul Spannungen von 0- 20V anzeigen und erkennt sogar die Polarität d.h. -20V bis + 20V werden korrekt angezeigt.

Also wer so was braucht kann ganz leicht durch Zuführung einer extra Versorgungsspannung von +5V oder wenn man über den Spannungsregler gehen will von mind. +6,5V ein LCD Voltmeter mit einem Range von -19,99V bis + 19,99V bekommen. Für mich war das nicht interessant da ich nur meinen Solarakku von 12V überwachen will. Mir war aber schon wichtig etwas tiefer als 7,5V zu messen und das geht so: man ersetzt den 78M05 welcher A.) einen Dropout von etwa 1,2V hat und B.) auch noch einen recht hohen Eigenstromverbrauch von 4mA durch einen LowDropout Regler mit geringem Eigenstrombedarf. Da gibt es viele verschiedene, je nachdem was man so in altem Computerschrott findet. Ich benutze einen LP2951 der so etwa 0,1mA Eigenstrombedarf und 0,1V Dropout Spannung hat. Nach dem Austausch des 78m05 konnte ich schon bis 6V herunter messen. Dann fiel mir noch auf das die Verpolungsschutzdiode D1 eine normale Si-Diode mit etwa 0,6V Flussspannung war. Die kann man natürlich auch durch eine nahezu beliebige Schottky Diode ersetzen mit Sperrspannung größer 20V welche dann nur noch etwa 0,2V Flussspannung hat.    

Damit ereiche ich eine sichere untere Messgrenze von 5,5V.

Wenn das Modul nicht exakt genug arbeitet kann man über VR1 die Verstärkung einstellen also man legt 10V an und stellt mit VR1 10V in der Anzeige ein. Dann überprüft man noch mal ob jetzt alles bei angelegten 7,5V und 19V stimmt. Sollte das nicht der Fall sein kann man auch noch den Nullpunkt mit VR2 abgleichen. Das geht aber nur wenn man D1 auslötet und das Modul extern mit Spannung versorgt wie oben beschrieben. Dann schließt man den Messeingang kurz und stellt mit VR2 genau 0 in der Anzeige ein. Anschließend unbedingt noch mal mit VR1 die Verstärkung abgleichen. Wunder bzgl. Genauigkeit darf man natürlich nicht erwarten aber 0,3 V Genauigkeit sollten schon drin sein.

geändertes Modul mit Messbereich von 5,5V – 19,99V und einer Stromaufnahme von 1,2mA mit Licht

Was ich aber auch noch ändern wollte war die relativ hohe Stromaufnahme des Moduls von fast 9mA einerseits durch den 78M05 verursacht und andererseits durch die schöne blaue LED-Hintergrundbeleuchtung welche auch noch mal 5mA verbraucht. 9mA sind für einen kleinen Akku (z.B. 7Ah) doch schon eine beachtliche Belastung… der ist nach 32 Tagen leer ( 0,009Ah * 24h * 32Tage  =  6,912Ah). Die verwendete LED ist ein Low-Power Typ der auch bei 0,5mA noch ausreichend hell leuchtet. Da braucht man nur den Vorwiderstand (R5) der LED von 510Ohm auf 3 bis 6KOhm zu erhöhen. Ich habe 5,6KOhm genommen und liege damit bei 0,5mA und zusätzlich noch einen Miniaturschalter eingebaut so dass man das Licht auch ganz abschalten kann. Der IC selber braucht etwa 0,4mA. Jetzt zieht mein Modul mit Licht 1mA und ohne nur 0,5mA. Da kann es permanent am Bleiakku hängen sogar mit Beleuchtung an.

Das Modul wurde noch in eine kleine Plastikschachtel eingebaut damit es in meinem Gartenkeller nicht zu sehr verstaubt. Vorher musste ich noch den Steckkontakt durch eine kleinere Variante ersetzen sonst hätte es nicht in die Schachtel gepasst.

Nachtrag: leider scheint das Modul recht temperaturempfindlich zu sein... d.h. bei einer Umgebungstemp. von 12C misst es 0,2V weniger im Vergleich zu 22C. das ist doch recht viel für nur 10Grad Temperaturdifferenz. Also Vorsicht wenn man das Modul bei größeren Schwankungen der Umgebungstemperatur einsetzen will. 

 

Solar Power Meter

Leistungsanzeige für solarbetriebene Heizung

Ziel war es für den Gartennachbar eine Leistungsanzeige für seine solarbetriebene Heizung zu bauen. Das ganze mit möglichst wenig Aufwand und auch nur zur Grobabschätzung der Solar-/Heizleistung. 3 LED sollten da reichen eine geht an bei 500W die nächste bei 1000W und die dritte bei 1600W. Betreiben wird die Widerstands-Heizung (hat 1800W bei 240V entspricht das einem Ri= 31,3Ohm) durch 8 Solarpanele in Reihe mit je Ipm= 7,67A / Vpm=30V / Vleer = 36,8V. Da hat man also mit maximal 8A und 300V am Heizelement zu rechnen. Das ist alles mit Vorsicht zu genießen, da es sich um Gleichspannung handelt und diese deutlich gefährlicher als Wechselspannung im handling ist. Den Abrissfunke z.B. kann man bei 300V locker auf ein paar cm ziehen… da versagt jeder normale Schalter.

Um jetzt eine Schaltung zu entwerfen muss man nur daran denken dass der Widerstand der Heizung als nahezu konstant angesehen werden kann und damit durch Auswertung der an der Heizung anligenden Spannung die Leistung ableitbar ist P= U*U / R. Also 125V -> 500W; 177V -> 1000W; 224V -> 1600W.

Es wurde eine Schaltung basieren auf dem TL 431 aufgebaut welcher eine Art einstellbare Z-Diode darstellt. Damit kann man sehr schön die einzelnen Spannungen einstellen welche den jeweiligen Wattzahlen entsprechen. Den 431 bekommt man fast aus jedem Schaltnetzteil ausgeschlachtet. Es gibt sehr viele verschiedene Bezeichnungen (je nach Hersteller) aber 431 kommt im Namen immer vor.

wie man sieht wurde das Ganze 3-mal aufgebaut da es 3 Heizungen mit je 8 Solarpanelen gibt

Ein Problem ergab sich noch bei der Spannungsversorgung des Powermeter selber. Natürlich sollte es kein eigenes Netzteil haben sondern mit aus den Solarzellen gespeist werden. Das ganze braucht so etwa 8V und 100mA die bekommt man aber nicht so leicht aus 300V Gleichspannung. Also musste ein normales 230V Schaltnetzteil herhalten welches letztlich auch nichts anderes macht als die 230V Wechselspannung erst mal gleichzurichten und dann aus den über 300V Gleichspannung eine 100-300KHz Wechselspannung zu generieren welche dann runter transformiert wird und wieder gleichgerichtet wird so das man letztlich seine gewünschte Niederspannung erhält. Also mal geschaut was an Handynetzteilen etc. so da war und wie weit runter man mit der Eingangsspannung gehen kann. Es war sehr erstaunlich dass fast alle getesteten Exemplare ab 40V anfingen zuverlässig zu arbeiten. Somit waren die Auswahl leicht den mir reichte ja eines dass ab 120V Gleichspannung werkelte. Die ganze Elektronik zur Filterung/Gleichrichtung etc. am Eingang des Netzteils kann man lassen. Also man braucht nichts zu verändern sonder gibt anstatt der 230V Wechselspannung die Gleichspannung direkt von den Solarpanels auf den Eingang (Polarität ist natürlich egal wird ja eh noch mal gleichgerichtet :-)).  Dabei habe ich alle 3 Solarstränge über je eine Diode auf das Netzteil gelegt so dass der Strang mit der höchsten Spannung die Versorgung übernimmt.

Handelsübliches Schaltnetzteil als Stromversorgung aus den Solarzellen

Aufgebaut wurde das Ganze auf einer Lochrasterleiterplatte und entsprechend mit Ösen versehen so dass es in einen großen Schaltkasten fest und berührungssicher eingebaut werden kann. Es ist unbedingt auf entsprechende Isolation und Berührungsschutz zu achten! Gleichspannung über 40V ist kein Spaß mehr!

Wasseralarm

Wartungsfrei für hoffentlich 10 Jahre

Wenn man die Segnungen des modernen Haushalts nutzt wie Geschirrspüler und Waschmaschine läuft man auch Gefahr dass die mal auslaufen. Sollte man noch jemanden unter sich wohnen haben wird’s besonders interessant einen Wasserverlust dieser Geräte schnellstmöglich zu erkennen. Also braucht man einen Wasseralarm. Das ganze kann man recht einfach aufbauen. Ziel ist eine sehr lange Funktion ohne Wartung. Als Batterie kommen da nur Lithium Knopfzellen in Frage (die halten 10 Jahre) und man braucht einen äußerst niedrigen Ruhestrom der Schaltung.
Das geht sehr gut unter Nutzung eines MOSFET und eines kleinen Piepers. In meiner Bastelkiste gab’s noch einen Pieper SMA-21 der mit 1,5 -24V läuft… der war allerdings bei 3V ziemlich leise so dass eine Knopfzelle nicht ausreichte. Mit 6V war‘s passable laut und die Stromaufnahme des SMA-21 lag bei etwa 2,5mA… da kann der ganz schön lange piepen bis die Knopfzellen leer sind. Wichtig ist das im Ruhezustand, also kein Wasser am Sensor, nur ein sehr geringer Ruhestrom fließt, so dass die Batterien lange halten. Also habe ich die Schaltung so gestaltet, dass etwa 0,5uA fließen wenn „nichts los ist“.  Damit liegt man bei weit über 10 Jahren Betriebszeit d.h. hier spielt eher die Selbstentladung der Knopfzellen (CR2032 etc.) eine Rolle.

R4 ist kein Widerstand sondern der Sensor bzw. 3 Sensoren parallel

Wichtig ist auch das man den Wassersensor so beschaltet das über den zwei Kontaktflächen welche als Sensor agieren nur ein geringer Strom fließen kann. Sonst kommt es schnell zu elektrolytischen Prozessen und die Metalle der Kontakte „lösen sich auf“ bzw. korrodieren etc. Je nachdem was man für Metalle/Leiter-Kombinationen verwendet. Ich habe als Kontakte/Sensor zwei nebeneinander liegende vergoldete Kontaktleiterbahnen von einer alten PC-Steckkarte genommen. Als Wassersensor brauchte ich 3 Stück so habe ich also 3 Sensoren parallel geschaltet. Die Länge der Zuleitungen zum den Sensoren sind unkritisch und können mehrer Meter sein.

Sensor

Die beiden Knopfzellen wurden in Batteriehalterungen von alten Mainboards gesteckt.

Rückseitenansicht

Der eingesetzte MOSFET (uPA1700) sollte eine geringe Gate-Threshold-Spannung haben (um die 2V ist ok) und in meinem Fall habe ich gleich noch einen mit integrierter Gate-Source Schutzdiode genommen. Damit spart man sich jeglichen Aufwand (Einsatz einer externen Suppressor-Diode) um das normalerweise recht empfindliche Gate  gegen statische Ladungen zu schützen. Solche MOSFET findet man in Laptopschrott etc. und die gibt es z.B. von NEC und Toshiba. Der genaue Typ ist unkritisch da keine Anforderungen an Verlustleistung, Strom, Spannung oder Einschaltwiderstand gestellt werden.

Schaltung auf der Rückseite des Piepers

Das ganze wurde frei verdrahtet und in eine kleine durchsichtige Plastikdose eingebaut und noch mit einem EIN/AUS-Schalter versehen… wenn der Alarm mal angeht sollte man den auch abschalten können sonst nervt das bis man endlich den Sensor unter der Waschmaschine vorgekramt und trocken gewischt hat.
Nachtrag: R5 war ursprünglich ein 3,1M aber nach einigen Fehlalarmen durch Kondenswasser an den Sensoren (ja das lange Föhnen der lieben Frau nach dem Bade) habe ich den auf 1,3M reduziert und so geht’s ...

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.