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Alimentare microcontrollore da pannello solare

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utentemaubarzi » 19 dic 2018, 16:06

Buongiorno a tutti,
è il mio primo post per cui sono un po' nervoso, per favore non sbranatemi se commetto qualche errore.

Sono un ex perito elettronico che dopo quasi 20 anni si riaffaccia nel mondo dell'elettronica per cui ho parecchia ruggine addosso da scrollarmi via.

Mi sono imbarcato in un progetto che mi stuzzicava e cioè quello di alimentare un microcontrollore (nella fattispecie un Arduino) mediante pannello slare.
Il tutto è partito dal fatto che ho trovato un pannello da 6V e 3,5W a pochi soldi che mi ha fatto partire il click su acquista.

L'idea è la seguente:

- Pannello fotovoltaico che tiene carico un pacco di batterie NiMh (4x1,2V) che alimentano Arduino a 5V.
- SEPIC per stabilizzare la tensione del pannello a circa 6V sia quando è in piena luce che quando è al limite per sfruttarlo il più possibile.
- Pacco di batterie
- SEPIC per stabilizzare la tensione delle batterie a 5V per alimentare Arduino.

Il SEPIC che ho trovato è un boost buck economico basato su XL6009 che accetta tensioni di ingresso che vanno da 3,8V a 32V
Siamo un po' al limite con il pannello.



Il primo problema che ho trovato è che quando la tensione in ingresso scende sotto il valore minimo, l'uscita fluttua a valori strani e più alti di quanto impostato, ho misurato da 8V a 13V e non i 6 che ho configurato e che ottengo quando in ingresso ho il range nominale.
E' normale? mi sarei aspettato il contrario, cioè di misurare 0 con ingresso sotto soglia.
Sto valutando di mettere due pannelli in serie per non essere a collo e sfuttare più a lungo il sole, ma questo non risolve il problema perché comunque avrò un livello di luminosità che mi porta la tensione sotto soglia.

Pensavo di scollegare il pannello quando fornisce una tensione sotto i 3,8V, ma come?
Mi potete consigliare degli schemi da utilizzare? Transistor/mosfet? Relè? Altro?

Grazie mille a chi vorrà darmi qualche dritta.
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[2] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utenteelfo » 19 dic 2018, 16:44

maubarzi ha scritto:Il SEPIC che ho trovato è un boost buck economico basato su XL6009 che accetta tensioni di ingresso che vanno da 3,8V a 32V

XL6009
Input operation voltage min 5 V max 32 V
http://www.haoyuelectronics.com/Attachm ... asheet.pdf
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[3] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 19 dic 2018, 16:52

Innanzi tutto: benvenuto in EY :-)

Non sapevo di SEPIC ( buck-booster converter) e mi sono appena informato nel web.
Posso provare di aiutarti con qualche domanda:

Il primo problema che ho trovato è che quando la tensione in ingresso scende sotto il valore minimo, l'uscita fluttua a valori strani e più alti di quanto impostato,
Se la tensione in uscita è connessa alle batterie a 6V , il comportamento riscontrato dovrebbe essere quasi ininfluente perché la tensione viene limitata dalla tensione delle batterie in carica.

I valori strani li hai verificati solo con uscita a vuoto o anche connessa su un carico minimo (esempio 6/0,05 = 120 ohm)?
Piuttosto: con tensione di ingresso bassa, verifica che l'uscita non assorba corrente dalla batteria scaricandola.

Quanto è l'assorbimento medio di Arduino ? alimentato a 12 V o a 5 V? (dovrebbe essere lo stesso, ha un regolatore7805L serie)
O_/
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[4] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utentemaubarzi » 19 dic 2018, 17:15

Ok, grazie @elfo,
il 3,8V lo avevo letto sulla descrizione dell'articolo quando l'ho comprato, comunque mi cambia poco, perché ho già in programma di mettere 2 pannelli in serie e mi resta il problema di cosa accade quando erogano meno di 5V a questo punto.

Grazie anche a te @Marco
In effetti anche io ho scoperto recentemente questo tipo di convertitore, quando ho studiato elettronica nel '90 non ho mai visto convertitori DC-DC che aumentassero anche la tensione in uscita.

La batteria viene usata in tampone, 1,2 * 4 = 4,8V nominali quindi quando pienamente carica arriva anche a 5,6 o più.
Calcolando un diodo in serie per evitare ritorni, per caricarle da pannello, il dispositivo pre batterie deve darmi circa 6V punto più o punto meno.
Il pannello o la coppia di pannelli, possono darmi una tensione iniziale più alta o più bassa da cui la necessità del convertitore per stabilizzarla.
Prima di iniziare a montare il tutto ho fatto delle prove, ho preso il pannello, messo un diodo di protezione e collegato al SEPIC per vedere se riuscivo ad ottenere i 6V stabili.
In uscita al sepic per non fare proprio le prove a vuoto ci ho messo un led pre wired quindi con una resistenza interna presumo attorno ai 220 ohm o poco più.

Misurando al sole con diverse esposizioni, durante le prove, il pannello mi andava da 6V a circa 2V, i 6V solo a vuoto con questo sole, con carico diciamo 4,5V max.

Per tarare il sepic ho collegato la batteria da 4,8V per avere un ingresso stabile e ho ottenuto i 6V sperati in uscita.
Con questa taratura ho messo il pannello al posto della batteria e ho ottenuto valori fluttuanti, dai 6V stabili quando per fortulo avevo il sole diretto ma quasi sempre valori da 8 a 13V circa variabili e non stabili con ingresso a 2,8V - 3,5V a seconda delle nuvole.

Ora, se avessi misurato 0V tutto ok non c'è sole non genera nulla, ma ottenendo valori alti ho paura di friggere qualcosa.

L'arduino al momento non mi preoccupa molto, comunque pensavo di alimentarlo direttamente con i 5V senza passare per il suo regolatore.
E comunque non sarebbe sempre acceso. Dovrà fare delle letture meteo periodiche, quindi on - legge - off in modo da non sprecare batteria per niente.

Per non scaricare le batterie sul pannello c'è il diodo che dicevo prima, uno schottky per avere meno caduta possibile.
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[5] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 19 dic 2018, 17:29

ma quasi sempre valori da 8 a 13V circa variabili e non stabili con ingresso a 2,8V - 3,5V a seconda delle nuvole. Ora, se avessi misurato 0V tutto ok non c'è sole non genera nulla, ma ottenendo valori alti ho paura di friggere qualcosa.
Con uscita connessa alle batterie non dovrebbe succedere nulla di grave.
Gli 8 - 13 V con le nuvole sono quasi a vuoto, con poca potenza alle spalle. Buone prove... O_/
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[6] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 19 dic 2018, 17:33

maubarzi ha scritto:ma quasi sempre valori da 8 a 13V circa variabili e non stabili con ingresso a 2,8V - 3,5V a seconda delle nuvole

Tutto questo con un carico dovuto al Led. Ma che carini 'sti regolatori di carica.
Devo dire che anch'io ho adottato un regolatore di carica (c'è un articoletto sul Blog) ma adesso mi viene un pensiero strano, sbaglierò, ma se mettessimo soltanto un diodo in serie per evitare la scarica ed uno zener con dissipatore in parallelo per evitare la sovracarica, funzionerebbe?
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[7] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utentemaubarzi » 19 dic 2018, 17:47

Cioè, @Marco, dici che anche se mi spara l'uscita così alta è solo perché c'è un carico minimo?
Aumentando un pelo il carico, o mettendogli quello reale non dovrebbe capitare?

Il problema più serio potrei averlo sul secondo convertitore, cioè quello che mi stabilizza a 5V la tensione per Arduino. Quello a valle delle batterie che dovrebbe abbassarle un pelo quanto totalmente cariche e alzarle un pelo quando in fase di scarica, sempre che non mi tiri il botto a batterie quasi scariche prima di schiattare perché l'Arduino sarebbe alimentato direttamente sui 5V senza passare per il suo convertitore e picchi di tensione più alti potrebbero fargli male.

Formulo la questione in una domanda differente.
Qualcuno sa se è normale su questi boost buck di sballare l'uscita quando l'entrata esce dai loro parametri?
Se si come ci si protegge?

EcoTan ha scritto:Tutto questo con un carico dovuto al Led. Ma che carini 'sti regolatori di carica.

Piano, questo è quello che ho visto io, ma potrei aver sbagliato qualcosa, sono un po' arrugginito...

EcoTan ha scritto:... sbaglierò, ma se mettessimo soltanto un diodo in serie per evitare la scarica ed uno zener con dissipatore in parallelo per evitare la sovracarica, funzionerebbe?

Questa è l'idea che mi era venuta a me per salvare Arduino, un bello zener da 5,1V per evitare di trasformare un alimentatore solare in friggitrice.
Per caricare la batteria, sono sempre più convinto che il problema sia relativo, perché male che vada carico le batterie ad impulsi elevati, ma sicuramente brevi.

Forse mi sto solo fasciando la testa prima del tempo.
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[8] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 19 dic 2018, 17:57

Per l'alimentazione di arduino, prova un LDO (low dropout ) regolatore lineare serie
per esempio LM1117 o LM2940L, ma non ho esperianza diretta, non li ho mai utilizzati. :-)
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[9] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utentemaubarzi » 19 dic 2018, 18:07

Grazie, me li segno per altri scopi, ma su questo non penso mi servano, hanno una caduta di tensione che va da 0,5 a 1,5V a seconda dei casi e quindi dovrei alzare sempre e comunque la tensione della batterie di questo valore per poi farli lavorare bene e stabilizzare a 5V.
Siccome il problema è su fluttuazioni che scattano a carica bassa dovrebbe bastare uno zener.
Altrimenti dovrei fare un'ulteriore conversione.
Se però devo alzare la tensione per far funzionare questo LDO, tanto vale alimentare Arduino dall'ingresso con regolatore, anche lui ha una caduta analoga per funzionare.
Comunque interessanti, non li conoscevo, grazie.
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[10] Re: Alimentare microcontrollore da pannello solare

Messaggioda Foto Utenteelfo » 19 dic 2018, 18:45

maubarzi ha scritto:6V e 3,5W

- Pannello fotovoltaico che tiene carico un pacco di batterie NiMh (4x1,2V) che alimentano Arduino a 5V.
- SEPIC per stabilizzare la tensione del pannello a circa 6V sia quando è in piena luce che quando è al limite per sfruttarlo il più possibile.

Pensavo di scollegare il pannello quando fornisce una tensione sotto i 3,8V, ma come?


Lo schema qui sotto ha il "grosso difetto" che funziona (ed e' bulletproof), ma:

- non sfrutta il pannello il piu' possibile (quando e' poco illuminato)
- non e' ad alta efficienza (e' un "lineare" e quindi dissipa)
- utilizza troppo pochi componenti per potercisi divertire
- non carica "al meglio" le batterie

ma:

- Il regolatore LM2940 (segnalato da Foto UtenteMarcoD) ha:
-- Reverse Battery Protection
-- Mirror Image Insertion Protection
-- Internal Short Circuit Current Limit

Riguardo alle cartteristiche del LM2940 (vout = 5 V):

- ha una tensione minima di ingresso di 6 V

ma

- ha una tensione min (typ) di ingresso di 5.5 V (dropout 0.5 V @ 1000 mA)
- ha una tensione di dropout (typ) di 100 mV @ 100 mA


Il sistema:

- e' "troppo semplice", "funziona", e' "impossibile romperlo" montando i componenti alla rovescia, genera la tensione giusta e con qualche forma di protezione per Arduino, non necessita di diodo per evitare la scarica delle batterie sul regolatore

- non e' ad "alta efficienza", non carica le batterie con "poca illuminazione"

Non puo', quindi, essere la soluzione "giusta" :mrgreen:
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