Der Laderegler ist Teil des Rasenmäher-Projekts. Die Basisstation soll ohne Netzanschluss per Solar betrieben werden. Damit, wenn der Rasenmäher zum Laden kommt, möglichst unabhängig vom Sonnenschein Energie vorhanden ist, wird die vom Solarpanel gesammelte Energie in einem Akku zwischengespeichert. Der Akku, ein Bleigel-Akku, muss vor Überladung und Tiefentladung geschützt sein.

Das Funktionsprinzip

Ein Bleigel-Akku hat die max. Kapazität erreicht, wenn die Zellenspannung 2,3 V erreicht. Bei einem 12 V Akku (6 Zellen) sind dies entsprechend 13,8 V. Bei 1,75 V Zellspannung hat der Akku seine untere Grenze erreicht. Eine weitere Entladung würde den Akku beschädigen.

Ein µC überwacht ständig die Akkuspannung. Wird die Ladeendspannung erreicht, wird das Solarpanel abgetrennt, bevor die Tiefentladung erreicht wird, wird die Last abgetrennt.

Der Aufbau

Ein ATtiny45 misst über den Spannungsteiler R3/R2 die Akkuspannung. Je nach Akkuspannung wird über das Relais K1 das Solarpanel zum Laden zugeschaltet oder über K2 die Last freigegeben. Die die Relais sind so geschaltet, dass im stromlosen Zustand das Panel zugeschaltet ist, der Akku also geladen wird und die Last abgetrennt ist. D1 und D2 sind Schutzdioden, die induktive Spannungsspitzen beim Schalten der Relais abfangen.

D3 ist ein Verpolungsschutz für das Solarpanel. Ist die Panel-Spannung wegen zu geringen Lichts unter der Akkuspannung, findet kein Stromrückfluss statt.

Die beiden LEDs dienen der Anzeige des Zustands. S1 ermöglicht den Reset. Zum Programmieren dient ein 6-poliger Wannenstecker.

Über JP2 kann der µC Daten im RS232-Format ausgeben. Dies ist notwendig, um das System zu kalibrieren (s.u.). Ein Festspannungsregler sorgt für die Betriebsspannung des µC.

Software

Die Software (download) ist recht einfach gestrickt. Aus vier ADC-Spannungsmessungen wird der Mittelwert gebildet. Je nach Spannung und Zustand des Systems werden die Relais geschaltet. Wenn etwa 30 Sekunden vergangen sind, wird außerdem geprüft, ob sich die Akku-Spannung verändert hat. Zuletzt werden die LEDs angesteuert, um den Zustand anzuzeigen (20 mal für 50 ms = 1 s). Danach geht's von vorn los. Die Spannungsmessung ist im Vergleich zu den LED-Anzeige-Zeiten sehr kurz, so dass die LEDs gleichmäßig blinken oder blitzen.

Grüne LED	Zustand	Beschreibung
leuchtet permanent	Voll	Der Akku ist voll geladen, Solarpanel ist abgetrennt, Last ist zugeschaltet.
blinkt (50/50)	bereit	Die Akkuspannung liegt im Betriebsbereich. Die Solarpanel und Last sind zugeschaltet.
blitzt (1/19)	leer	Die Akkuspannung liegt unter 10,5 V, Solarpanel ist zugeschaltet, Last ist abgetrennt.
aus	kaputt	Die Akkuspannung ist deutlich unter 5 V gefallen, der µC läuft nicht mehr. Eine so tiefe Entladung verträgt der Akku nicht.

Rote LED	Zustand	Beschreibung
leuchtet permanent	Akkuspannung steigt	Der Akku wird geladen.
blitzt (1/19)	Akkuspannung sinkt	Der Akku wird entladen.
aus	Akkuspannung konstant	Stromentnahme und Zufluss halten sich die Waage.

Kalibrierung / Bootstrapping

Das Bootstrapping erfolgt in drei Stufen.

1. Der interne RC-Oszillator muss kalibriert werden, damit man über eine Software-SUSAT Messwerte senden kann.
2. Die Werte des ADC für die entsprechenden Akku-Spannungen müssen ermittelt werden. Auf Grund der Toleranzen der Widerstände und des Spannungsreglers müssen diese Werte individuell ermittelt werden.
   Das zugehörige Programm ist einfach. In einer Schleife wird etwa alle 200 ms (_delay_ms(200)) die anliegende Spannung gemessen (s. Hauptprogramm) und der Messwert per RS232 (s. Software-SUSAT) an einen PC gesendet. Ein Terminalprogramm zeigt die Werte dort an.
   Ein regelbares Netzteil anstelle des Akkus, dessen genaue Spannung ggf. mit Hilfe eines Voltmeters geprüft wird, liefert die Referenzspannungen. Interessant sind die Werte 10,5 V, 12,5 V und 13, 8 V. Um auf der sicheren Seite zu sein, habe ich als untere Grenze 10,6 V und obere Grenze 13,7 V gewählt.
   
3. Die gemessenen ADC-Werte müssen als Vergleichswerte im eigentlichen Programm berücksichtigt werden.

Fertig

... fehlt nur noch ein Gehäuse.   Komplett mit Solarpanel und Akku.
Das Foto zeigt nicht die letzte Version.
Es befinden sich noch einige Bauteile
unter der Platine.

Anmerkung

Das Ganze ist nicht 100% sicher. Reicht die zugeführte Energie nicht mittelfristig den Strombedarf des Ladereglers (40 mA, wenn beide Relais angezogen sind, < 5 mA (geschätzt) bei entladenem Akku, beide Relais sind abgefallen!) an sich zu decken, führt dies auch zu einer Tiefentladung. Dies könnte man natürlich über eine Selbstabschaltung regeln. Der Aufwand einer automatischen Wiederanschaltung ist aber nicht unerheblich. In der vorgesehen Anwendung scheint das Risiko, dass eine solche Situation auftritt, sehr gering.

Was könnte man sonst noch tun?

1. Die Last frühzeitiger abtrennen (z.B. bei 11 V). Dies erhöht die Restlaufzeit die dem Regler zur Verfügung stehen, bevor der Akku zerstört wird.
2. Die grüne LED blitzt mit einem Taktverhältnis von 1/19, d.h. sie leuchtet etwa 5% der Zeit. Dieses Blitzen könnte man abschalten, wenn die Spannung zu weit gesunken ist. Ich habe eine ultrahelle LED mit einem Vorwiderstand von 470 Ω verwandt. Dies bedeutet bei einer UF von 3,5 V, dass der Dauerstrom etwa 3 mA beträgt. 5% davon sind 150 µA.
3. Man könnte den µC weitgehend abschalten und ihn regelmäßig per Watchdog wieder für kurze Zeit aufwecken, um die Spannung zu prüfen und zu entscheiden, ob man wieder in den normalen Betriebsmodus wechseln kann.