Temperatur- und Feuchtesensor mit WLAN Solarspeisung richtig dimensionieren

Solarzellen eignen sich gut für die Versorgung von Wetterstationen und anderen dezentralen Sensoren. Wie muss die Schaltung aufgebaut sein, um auch bei schlechtem Wetter zuverlässig zu funktionieren?
Solarzellen eignen sich gut für die Versorgung von Wetterstationen und anderen dezentralen Sensoren. Wie muss die Schaltung aufgebaut sein, um auch bei schlechtem Wetter zuverlässig zu funktionieren?

Viele Sensoren lassen sich gut über ein Solarpanel versorgen. Auch ein WLAN-Modul für die Übertragung in die Cloud kann mit Sonnenenergie gespeist werden. Wie muss das System dimensioniert werden, damit es auch bei den in Deutschland üblichen Wetterverhältnissen zuverlässig funktioniert?

Den Energieverbrauch einer bestimmten Hardware zu berechnen, bereitet keine Schwierigkeiten. Nicht mehr so einfach ist dagegen das Festlegen der Batterie- und Panelgröße für eine solargespeiste Anwendung, denn hierbei muss unter anderem berücksichtigt werden, wann die Anwendung ein- bzw. ausgeschaltet ist. Auch die Beleuchtungsbedingungen am finalen Standort der Applikation lassen sich schwierig oder gar nicht vorhersagen. Der Prototyp eines kompletten, autonomen Temperatur- und Feuchtesensors mit WLAN-Anbindung und Batterieüberwachung wurde deshalb ausschließlich aus Evaluation Boards von TI aufgebaut.

Der aus den Evaluation Boards CC3200EVM, TPL5110EVM, BQ25505EVM, HDC1080EVM und TPS82690EVM aufgebaute Prototyp (Bild 1) wurde mit einem kostengünstigen, 13 x 15 cm² großen polykristallinen Solar-Panel mit 2,5 W Leistung und einem 4,2 V Li-Ion-Mobiltelefon-Akku versehen. Alle Boards können bei Texas Instruments bestellt werden.

Basierend auf dem geforderten Betriebszyklus und den Beleuchtungsverhältnissen lässt sich der tatsächliche Energiebedarf errechnen, um bei der Dimensionierung von Akku und Solarpanel zu helfen. Dank des Timer-IC TPL5110 beschränkt sich die Ruhestromaufnahme im abgeschalteten Zustand auf weniger als 400 nA (lt. Datenblatt). Wie lange der Gleichspannungswandler, das Sensor-IC und das WLAN-Modul jeweils eingeschaltet sein müssen, hängt von der Internetverbindung, den Fähigkeiten des Routers, der Serverauslastung usw. ab.

Das System im Überblick

Für das komplette Batteriemanagement einschließlich des Überspannungsschutzes ist das BQ25505EVM zuständig. Mit seinem integrierten Aufwärtswandler nutzt das Modul die vom Solarpanel kommende variable Spannung zum Laden des Li-Ion-Akkus. Der Aufwärtswandler läuft bei einer Spannung von ungefähr 0,3 V an, wenn der Akku vollständig entladen ist. Meist ist der Akku jedoch bereits geladen, sodass das Energy Harvesting bei etwa 120 mV einsetzt.

Die größte Bedeutung für den geringen Energieverbrauch des Systems hat das TPL5110EVM, das für den Betrieb im Timer-Modus eingerichtet ist. Mithilfe des Potenziometers auf dem Board lassen sich Intervalle zwischen 100 Millisekunden und 2 Stunden einstellen. Der als Leistungsschalter dienende MOSFET wurde hier für das WLAN-Modul, das während des Sendens die meiste Leistung aufnimmt, durch zwei leistungsfähigere 1,3-A-Transistoren ersetzt. Der Betriebszyklus wurde auf 10 Minuten eingestellt, und die Übertragung dauert etwa 10 Sekunden (siehe Bild 2). Das Integral über eine Zeitdauer von 10 Sekunden ergibt einen Energiebedarf von 2,13 Ws, während der Energiebedarf im Ruhezustand mit den Angaben aus dem Datenblatt auf 2,06 mWs berechnet wurde. Bei einem vollständig aufgeladenen Akku (7,89 Wh) ergibt sich hieraus eine theoretische Betriebszeit von 114 Tagen:

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