如何創建一個時間開關電池供電的太陽能充電電路

描述

本教程展示了如何創建一個時間開關電池供電的太陽能充電電路，該電路用于為 Arduino Uno 和一些外圍設備（傳感器、通信模塊等）供電。

如果你想設計一個遠程數據記錄器，電源總是一個問題。大多數時候沒有可用的電源插座，這迫使您使用一些電池為電路供電。但最終你的設備會耗盡電池......你不想去那里充電，對吧？因此，人們提出了一種太陽能充電電路，讓用戶可以從太陽中獲得免費能量來為電池充電并為您心愛的 Arduino 供電。

您將面臨的另一個問題是 Arduino 的效率。即使您將其置于睡眠狀態，它也會消耗大量電池，“睡眠通常用于在 Arduino 板上省電。然而，對于某些 Arduino 變體，并沒有太大的好處。例如，Arduino串行和 USB 板使用 7805 類型的電源調節器，當 Atmega IC 處于空閑模式時需要 10 mA。將這些板置于睡眠狀態將減少幾 mA 的總功耗，但仍會很高“。

如果您使用自己的電源電路繞過低效的穩壓器，或者使用具有相當高效電源的電路板，例如 Arduino Pro，那么睡眠對于降低功率和延長電池壽命非常有益。使用某些鋰離子電池時，甚至可以完全移除調節器。

但大多數時候，您不想直接在您的 Arduino Uno 上使用您糟糕的焊接技能，或者不想購買更節能的設備。如果這是您的情況，那么本教程適合您。

另一個問題是，即使您的 Arduino 正在睡覺，您的傳感器可能仍然處于活動狀態，從而耗盡您的電池。因此，在太陽能充電電池中添加了一個定時器電路，它只為 Arduino 供電幾秒鐘，然后再次將其關閉以節省電力。它適用于您的微控制器僅用于讀取某些傳感器、傳輸或保存數據以及返回睡眠幾分鐘的應用。

此處描述的電路仍在測試中，未對所使用的組件進行徹底分析（模型二極管、晶體管和電阻值）。我打算稍后將這個電路變成 Arduino Uno 的電池供電的太陽能充電板，但現在我仍在嘗試和出錯。因此，請隨意評論和關注這個項目，使用它需要您自擔風險！

我設計了這個電路來為我的 Arduino 迷你氣象站供電。它使用了一個消耗大量電力的灰塵傳感器，我想定期關閉整個電路以節省電池。

第 1 步：材料

• 阿杜諾

• 小面包板

• 5V升壓器

• 鋰電池充電器（TP4056）

• 6V太陽能電池

• 18560鋰電池

• 電池座

• 1N4004 二極管 (x2)

• 555集成電路

• 2N3904晶體管（x2）

• 1 兆歐電阻 (x2)

• 100 kohm 電阻 (x3)

• 10 kohm 電阻 (x1)

• 100 uF 電解電容 (x2)

• 10 nF 陶瓷電容器 (x1)

• 5V單刀雙擲繼電器

• 跳線

• USB電纜

第 2 步：組裝太陽能電池充電器

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首先，您必須組裝太陽能電池充電器電路。這使用來自一些太陽能電池的能量為電池充電，并將其電壓提升到 Arduino Uno 使用的 5V。

該電路基于太陽能供電的Arduino 氣象站deba168的精彩教程。

太陽能電池連接到鋰電池充電器（TP4056）的輸入端，其輸出連接到18560鋰電池。一個 5V 升壓升壓器也連接到電池，用于將 3.7V dc 轉換為 5V dc。您可以檢查圖片中組件之間的連接。

一些引腳焊接到兩個模塊（TP4056 和升壓器）的底部，以便更輕松地連接到面包板。如果你不使用面包板，你可以用電線連接組件并焊接它們。

此時您可能已經為您的 Arduino Uno 供電，將其連接到 booster 的 USB 連接器，您的 Arduino 將一直工作，直到電池耗盡。當陽光充足時，電池會自動開始充電。

請注意，TP4056 輸入限制在 4.5 和 5.5V 之間。在這個電路中，太陽能電池板和電池充電器之間沒有電壓限制器。可以使用齊納二極管來限制電壓并保護您的電路。

根據您的耗電量，您的電池會快速放電。如果是這種情況，請執行下一步。

第三步：定時器電路

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有很多項目涉及 Arduinos 和一堆傳感器。在大多數情況下，Arduino 會定期讀取傳感器并在內部存儲讀數或使用 Wi-Fi、藍牙、以太網等傳輸它們的值......之后，它通常會進入空閑狀態，直到到達下一個采樣時間.

在這段空閑時間里，你可能會讓你的 Arduino 進入睡眠狀態，但它不會節省很多電量。盡管微處理器降低了其功耗，但調節器和其他外圍設備（例如您的傳感器和通信模塊）繼續工作，消耗大部分功率。

這里提出的替代方案是使用外部定時器電路，它定期打開/關閉電源。當它打開時，Arduino 將執行其設置、讀取傳感器并保存或傳輸數據。所有這一切都在幾秒鐘內完成。之后，電路將切斷電源幾分鐘，然后重新啟動該過程。

在關閉狀態期間，定時器電路僅消耗幾毫安。

計時器電路安裝在Autodesk Circuits?上，以便在使用真實組件實施之前對其進行模擬。

非穩態模式下的 555 定時器電路旨在控制 Arduino 及其外圍設備何時開啟/關閉。在非穩態電路中，輸出電壓在 Vcc (+5V)（高電平狀態）和 GND (0V)（低電平狀態）之間持續交替。該輸出用于驅動繼電器，該繼電器將定期切斷 Arduino 的電源。

通過選擇 R1、R2 和 C1 的值，可以確定周期（ON/OFF 循環重復所需的時間長度）和占空比（輸出為 ON 的時間百分比）。增加 C1 將增加周期。增加 R1 將增加高時間 (T1)，但不影響低時間 (T0)。增加 R2 將增加高時間 (T1)、增加低時間 (T0) 并降低占空比。

這種電路的最小占空比為 50%。這意味著，在最好的情況下，非穩態電路只會在一半時間內切斷電路電源，這還不夠。因此決定在定時器的輸出端添加一個簡單的邏輯反相器（TQ1 和 R4）。這樣，將選擇 R1、R2 和 C1 的值，以使占空比約為 90%（在邏輯反相器之前）。在逆變器之后，輸出僅在 10% 的時間內為 ON。該反相輸出用于驅動另一個晶體管 (TQ2)，該晶體管用于驅動 5V 繼電器 (K1)，最終將切斷 Arduino 及其外圍設備的電源。

在第一次仿真中使用了任意值的電阻器和電容器，以驗證電路的功耗。在關閉狀態下，電路指示僅消耗 0,8 mA。當電路開啟時（短時間），它消耗大約 40 mA，這被添加到 Arduino（和其他外圍設備）消耗的電流中。

很難測量實際值，但 Arduino Uno 通常消耗 52 mA 左右。處于睡眠模式時（使用 LowPower 庫），功耗降至 35 mA。R1、R2 和 C1 的新值是使用 555 Astable Circuit Calculator計算得出的。選擇它們的值，使電路關閉 5 分鐘，然后通電 27 秒以進行采樣和傳輸數據。

考慮到這些值（5 分鐘關閉和 27 秒開啟），具有睡眠模式的 Arduino 將消耗大約 36 mAh。如果我們使用定時器開關電路，消耗只有8毫安左右。功耗降低 77% 對我來說似乎很好。您還必須考慮其余電子設備（傳感器和通信模塊）以及升壓器和電池充電器消耗的電流，以獲得精確的電流值......

第四步：組裝定時器電路

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根據原理圖組裝定時器電路。

以下值可用于電阻器和電容器以實現 5 分鐘關閉/27 秒開啟時間：

• R1 = 2 兆歐

• R2 = 200 歐姆

• R4 = 10 千歐

• R5 = 10 千歐

• C1 = 200 uF

• C2 = 10 nF

值得注意的是，我使用了 SPDT 繼電器的常開 (NO) 輸出。我意識到有些繼電器只有一個常閉輸出，盡管它們具有相同的封裝，并且所有指示都相同。

另請注意，在圖片中我使用了不同的值，因為我不想等待 5 分鐘才能看到我的電路工作。

圖為安裝在面包板上的電路。我有一個輸入（來自升壓器的 +5V/GND）和一個輸出（到 Arduino 的 +5V/GND）。

為時間電路供電，Arduino 連接到它，看看它是否工作。您不時聽到正在啟動的繼電器。

第 5 步：完成電路和測試

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定時器電路工作后，將其輸出連接到 Arduino 5V 和 GND 引腳。它看起來像圖片中的那個。

Arduino 將每 5 分鐘通電一次并持續 27 秒。您可以更改這些值，為電阻器和電容器選擇不同的值，如前所述。

設計一個漂亮的外殼來保護你的電路，把它放在陽光下，看看它是否有效！

第 6 步：功耗和運行時間

我想對功耗和運行時間做一些考慮。

考慮 5 分鐘 OFF 和 27 秒 ON，電路 + Arduino 的功耗如下：

無開關電路（使用睡眠模式）：

• 平均電流 (Iavg) = (Ton*Ion + Toff*Ioff ) / (Ton +Toff)

• 噸（Arduino 處于活動狀態）= 27 秒

• 離子 = 51.7 毫安

• Toff（arduino 關閉）= 5 分鐘 = 300 秒

• Ioff = 34.9 毫安

• Iavg = 36.3 毫安

• 工作電壓 (Vo) = 5V

• 平均功率 (Pavg) = Vo * Iavg = 5 * 36.3 = 181 mW

• 鋰離子電池容量 = 3000 mAh

• 電池電壓 = 3.7V

• 功率 =3.7 * 3000 = 11100 mWh

• 電池壽命 = 11100/181 = 61 h = 2,5 天

帶定時器開關電路：

• 平均電流 (Iavg) = (Ton*Ion + Toff*Ioff ) / (Ton +Toff)

• 噸（arduino 處于活動狀態）= 27 秒

• 離子 = 92 毫安

• Toff（arduino 關閉）= 5 分鐘 = 300 秒

• Ioff = 0.8 毫安

• Iavg = 8.2 毫安

• 工作電壓 (Vo) = 5V

• 平均功率 (Pavg) = Vo * Iavg = 5 * 8.2 = 41 mW

• 鋰離子電池容量 = 3000 mAh

• 電池電壓 = 3.7V

• 功率 =3.7 * 3000 = 11100 mWh

• 電池壽命 = 11100/41 = 270 小時 = 11 天

此處未考慮 TP4056 和升壓器的功率損耗，并且在這兩種情況下肯定會縮短電池壽命。

這里需要注意的重要一點是，這個定時器電路也將節省一些能量，切斷傳感器的電源，而睡眠模式將減少微處理器的消耗。