Der autarke Betrieb von MCUs mit Mini-Solarpanels löst zwar nicht die aktuellen Energieprobleme, erspart aber im Idealfall den Batteriewechsel respektive das Aufladen.
Ausgangspunkt für die Idee, einen Mini-Rechner per Solarstrom zu versorgen, war ein Projekt [1] mit der Anzeige von Uhrzeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf einem E-Paper-Display mit integriertem Pi Pico auf der Rückseite. Als Hardware diente ein Badger2040 [2] von Pimoroni (Abbildung 1).
Abbildung 1: Der Badger2040 von Pimoroni zeigt die aktuelle Uhrzeit sowie diverse Sensorwerte.
Das System wacht einmal pro Minute auf, aktualisiert Sensorwerte und Uhrzeit und fällt anschließend wieder in den Tiefschlaf. Den Strombedarf dafür zeigt Abbildung 2. Sieben Sekunden Aktivität bei ungefähr 27 Milliampere Leistungsaufnahme stehen 53 Sekunden bei 6,5 Milliampere gegenüber. Das ist insgesamt nicht viel, und die Hoffnung bestand darin, dass selbst bei ungünstigeren Lichtverhältnissen ein Solarpanel für die Stromversorgung ausreicht.
Abbildung 2: Der Stromverbrauch der Anwendung hält sich in engen Grenzen.
Panelware
Eine kurze Recherche zeigte, dass sich kleine Solarpanels wie in Abbildung 3 bei den üblichen Händlern für relativ wenig Geld erstehen lassen. Das für den Test verwendete Exemplar stammt von Pimoroni und liefert nominal 100 Milliampere bei 3 Volt. Mit 3 Volt kommt ein blanker Pico gut aus, und auch der Badger2040 gibt sich damit zufrieden – im Prinzip also günstige Voraussetzungen. Da allerdings die abrufbare Leistung selten den Nominalwerten entspricht, gestaltet sich die Sache dann doch nicht ganz so einfach.
Abbildung 3: Das Mini-Solarpanel von Pimoroni weist eine Nennleistung von 100mA bei 3V auf.
Schon eine Messung der Leerlaufspannung an verschiedenen Standorten bringt Ernüchterung: Während das Panel am Fensterbrett noch einigermaßen Spannung liefert, ist das im Inneren des Raums schon nicht mehr der Fall. Hier hilft eine Serienschaltung aus mehreren Panels. Die klügere Alternative lautet an dieser Stelle jedoch, gleich zu 6-Volt-Panels zu greifen. Sie sind zwar doppelt so groß, gehen aber immer noch als Mini-Panel durch. Der Preis skaliert in diesem Bereich mit der Größe: Üblich sind Preise von 20 Euro für drei 6V/3W-Panels.
Manche Panels verfügen über einen fertig konfektionierten Anschluss. Hat das angepeilte Exemplar keinen solchen, umso besser: Dann können Sie es nämlich maßgeschneidert in eigene Projekte einbinden, etwa mit Schraub- oder Steckverbindungen. Von der Qualität der Panels her dürfen Sie sich nicht allzu viel versprechen, denn hochwertige Produktchargen landen sicher nicht in kleiner Billigware.
Ernüchterung
Die direkte Stromversorgung des Pico scheint zwar insofern einfach, als die Panels genug Spannung und Strom liefern, doch der Schein trügt. Die üblichen Angaben beziehen sich auf die Spannung ohne Last und den Kurzschlussstrom. Allerdings fällt die Spannungs-Strom-Kurve bei Solarpanels extrem aus (Abbildung 4). Die meisten ähnlichen Abbildungen im Internet zeigen mehrere solcher Kurven innerhalb einer Grafik für unterschiedliche Beleuchtung (je dunkler, desto flacher).
Abbildung 4: Die Spannungs-Strom-Kurve von Solarzellen fällt extrem aus.
Die Grafik müssen Sie von rechts nach links lesen. Ohne Last (und ohne ausreichende Sonneneinstrahlung) erreicht die Spannung den nominalen Wert. Sobald aber Strom fließt, bricht die Spannung zusammen (waagerechter Teil der Kurve). Mit einem 6V-Panel genügt die Restspannung selbst für einen Pico nicht.
Eine Möglichkeit, die Spannung zu stabilisieren, bieten spezialisierte Stepup-Konverter. Die gibt es zwar für sehr kleine Spannungen, allerdings erweisen sie sich wegen Ihrer Größe für Selbstlöter als nicht praktikabel. Fertige Breakouts finden sich im Handel ebenfalls nicht. Selbst der kleine AP3602A [3] aus Abbildung 5, der schon mit 2,7 Volt auskommt, eignet sich nicht für den Betrieb mit Solarpanels.
Abbildung 5: Auch der Stepup-Konverter AP3602A kommt für den Betrieb mit Solarpanels nicht infrage.
Pufferspeicher
Das Spannungsproblem löst letztlich ein Spezialchip in Kombination mit einer Pufferbatterie. Der Chip überwacht die Spannung und regelt den Strom so, dass die Spannung nicht zusammenbricht. Der Akku dient sowohl als Energiespeicher als auch als Versorgung für den stabilen Betrieb eines Verbrauchers.
Adafruit [4] vertreibt ein spezielles Solarladegerät (Abbildung 6), von dem es mittlerweile eine aktualisierte und günstigere Version [5] gibt. Sie kommt ohne den dicken Elko aus und verträgt darüber hinaus eine höhere Eingangsspannung bis 10 Volt. Zwei verschiedene Eingangsbuchsen verleihen dem Breakout Flexibilität. Dasselbe gilt für die Ausgänge: Auch hier sind Sie nicht auf die JST-Anschlüsse festgelegt. Zusätzlich gibt es noch Pin-Anschlüsse, mit denen Sie zum Beispiel die LED-Signale nach außen führen, sollte das Bauteil in einem Gehäuse verschwinden.
Abbildung 6: Der Solarlader von Adafruit kommt mit einer Eingangsspannung bis 10 Volt zurecht.
In Abbildung 7 sehen Sie die Spannungs-Stromstärke-Kurve am Ende der Ladephase des Akkus. Am Solarlader hängt neben dem Akku eine Last, die konstant ungefähr 32 Milliampere zieht. Sobald die Steuerelektronik den Akku abschaltet, fällt der Strom auf diesen Wert, gleichzeitig schnellt die Spannung hoch.
Abbildung 7: Schaltet die Steuerelektronik den Akku ab, reduziert sich der Strom auf 32 mA, während die Spannung steigt.
Die alte Version des Solarladers hatte einen Designfehler: Sie reichte die Eingangsspannung direkt an die Last durch. Ein Mikrocontroller direkt am Lader bekam dann bei guter Sonne volle 6 Volt und mehr ab. Sie benötigten also noch einen zwischengeschalteten Regler, etwa einen TMS1117-5.
