Zasilanie noda wydaje się błahą rzeczą i można się zgodzić z tym stwierdzeniem, w przypadku nodów przenośnych tzw. ręczniaków oraz nodów stacjonarnych zasilanych z sieci energetycznej. W przypadku nodów bezdozorowych, umieszczonych często w trudno dostępnych miejscach, skonstruowanie systemu zasilania off-grid jest sporym wyzwaniem. Poniższy opis pokazuje kompletne rozwiązanie zasilania off-grid, dla noda modularnego BM-NODE, ale może posłużyć też, jako wskazówki i inspiracja do konstruowania własnych rozwiązań.
Kompletny układ zasilania składa się z:
1. noda modularnego BM-NODE z pomiarem napięcia i prądu akumulatora na module INA219,
2. akumulatora,
3. panelu solarnego
4. kontrolera solarnego.
Omówienie schematu:
==============================================
- Schemat zasilania noda modularnego BM-NODE
- schemat_zasilania_BM-NODE_s.jpg (55.83 KiB) Przejrzano 838 razy
1. Nod modularny opisany jest w osobnym artykule >>> https://meshtastic.pop.pl/viewtopic.php?t=16
W tym miejscu, skupimy się na (opcjonalnym) module pomiaru prądu i napięcia INA219.
Jeśli nie dysponujemy modułem INA219, łączymy akumulator z kontrolerem solarnym bezpośrednio przewodem dwużyłowym,
pamiętając o właściwej polaryzacji.
INA219 należy podłączyć zgodnie ze powyższym schematem, do zacisków VIN- [2] (zacisk "+" akumulatora) oraz VIN+ [3] (zacisk "+" kontrolera solarnego)
Ważne! Jeśli podłączamy noda, wg powyższego schematu, do akumulatora 12V, należy bezwzględnie usunąć dwie zworki JP1 [4][5] po prawej stronie. Pozostawienie zworek i podłączenie napięcia 12V uszkodzi elementy noda !!! Zworki należy używać tylko przy zasilaniu 5V, doprowadzonemu przez zacisk kablowy [1], w sąsiedztwie gniazda antenowego SMA.
- Moduł INA219 - pomiar prądu i napięcia
- 20241208_220223_s_nr.jpg (82.53 KiB) Przejrzano 850 razy
2. Akumulator, a raczej jego realna pojemność jest kluczowym elementem decydującym o długości "przetrwania" pracy noda w warunkach bez oświetlenia (noce) lub z bardzo słabym oświetleniem (pochmurne dni, szczególnie zimą). Wyliczenie czasu "przetrwania" można komfortowo wyliczyć za pomocą kalkulatora zasilania solarnego, dostępnego tutaj >>> https://meshtastic.pop.pl/kalkulator-za ... tastic.php
Polecam również trochę teorii (samo gęste
), dotyczącej liczenia bilansu energetycznego, znajomość której znakomicie ułatwi, podanie właściwych parametrów do kalkulatora, a przede wszystkim zrozumienie idei zasilania off-grid.W opisywanym projekcie przyjąłem okres "przetrwania" na około 9-10 dni. Korzystając z kalkulatora zasilania solarnego,
takie parametry zapewnia użycie akumulatora żelowego SSB 7.2Ah 12V (realna pojemność ~8Ah). W teorii bilansu energetycznego, znajdują się również informacje, o tym dlaczego to jest optymalny wybór
>>> https://meshtastic.pop.pl/kalkulator-za ... tastic.phpWiększość akumulatorów na popularnej platformie handlowej na literę "A", nie spełnia deklarowanych parametrów. Nowe akumulatory 7.2Ah mają realną pojemność 3-3.5Ah i fatalną charakterystykę rozładowania. Markę SSB mogę polecić z czystym sumieniem.
- Akumulator SSB 7.2Ah / 12V
- aku_s.jpg (60.58 KiB) Przejrzano 846 razy
3. Panel solarny z kolei, jest elementem dostarczającym energii, na pracę bieżącą noda oraz ładującym akumulator na czas bez słońca, czyli noce oraz długie zimowe poranki i wieczory. O tym domorośli konstruktorzy
zdają się zapominać montując mikropanele np. 15x15cm. W warunkach letnich, długiego dnia, rozwiązanie może się sprawdzić, ale w okresie jesień-zima-wiosna, skończy się to niechybnym wyłączeniem noda, do wiosny W omawianym projekcie, uwzględniona została praca w krytycznych warunkach zimowych i wg tego co podał kalkulator zasilania solarnego >>> https://meshtastic.pop.pl/kalkulator-za ... tastic.php wyliczony został panel o powierzchni ok 0.2m2.
Tego typu wymagania spełnia panel monokrystaliczny Maxx 30W o wymiarach 54cm x 35cm.
- Panel solarny Maxx30W 54x35cm
- solar_s.jpg (61.27 KiB) Przejrzano 846 razy
4. Kontroler solarny łączy elektrycznie wszystkie elementy noda i jemu należy poświęcić więcej uwagi.
Mamy wysokie wymagania
, więc musi posiadać:- zabezpieczenie akumulatora przed zbyt głębokim rozładowaniem,
- obsługę histerezy ładowania, która zapobiega pozostawaniu akumulatora zbyt długo w stanie niskiego napięcia oraz chroni przed zresetowaniem pamięci noda przy ciągłych restartach na granicy poziomu napięcia odłączenia noda.
- zapobieganie przeładowaniu akumulatora,
- histerezę wygodnie programowalną przez panel, za pomocą przycisków
- obrzydliwie niską cenę
Podane powyżej cechy ma przedstawiony poniżej na zdjęciu kontroler. Na Aliexpress można go kupić w cenie 8-15 PLN stosując metody opisane w artykule "Jak kupować tanio na Aliexpress" >>> https://meshtastic.pop.pl/viewtopic.php?t=20 - polecam
Dla wybranego typu akumulatora, przyjąłem histerezę 10.5V / 11.5V / 14.4V, czyli "po ludzku":
- przy 10.5V nod jest odłączany od zasilania,
- następnie ponownie włączany, po podładowaniu przez panel solarny, dopiero przy napięciu powyżej 11.5V,
- najwyższe napięcie podawane do akumulatora nie przekroczy 14.4V.
- Kontroler solarny PWM
- solar_controller_pwm_s_nr.jpg (76.5 KiB) Przejrzano 846 razy
Programowanie histerezy ładowania
==============================================
Aby zaprogramować histerezę. należy podłączyć akumulator do środkowych zacisków [3][4] kontrolera.
Pojawi się na ekranie aktualne napięcie [1] akumulatora.
Przechodzenie przez menu odbywa się sekwencyjnie w pętli.
- przechodzenie między kolejnymi opcjami - krótko naciśnij lewy skrajny przycisk [2],
- wejście do programowania wartości- długo przytrzymaj lewy skrajny przycisk [2], wartość zacznie migać,
- zapamiętanie zaprogramowanej wartości - długo przytrzymaj lewy skrajny przycisk [2], wartość przestanie migać,
- zmiany wartości opcji dokonuje się przyciskami strzałem dół/góra,
- kolejne ekrany opisane są na poniższym rysunku,
Ustawiamy:
- ekran nr 1 - wskaźnik ładowania z panelu, aktualne napięcie akumulatora, informacja o podłączeniu odbiornika,
- ekran nr 2 - maksymalne napięcie ładowania (14.4V), +/- ewentualna korekta opisana poniżej w pkt. 1,
- ekran nr 3 - napięcie włączenia noda (11.5V), +/- ewentualna korekta opisana poniżej w pkt. 1,
- ekran nr 4 - napięcie wyłączenia noda (10.5V), +/- ewentualna korekta opisana poniżej w pkt. 1,
- ekran nr 5 - czas włączenia (24h)
- ekran nr 6 - typ akumulatora (b01)
- Menu ustawień
- settings_menu_s.jpg (98.98 KiB) Przejrzano 838 razy
Problemy, które można napotkać
==============================================
Chińczycy, jak to Chińczycy, podrabiają nawet własne rozwiązania i nie są one niestety doskonałe. Kupienie podróbki nie jest czymś niezwykłym
1. Niektóre kontrolery nie wyświetlają prawidłowego napięcia, na panelu. Nas interesuje realne napięcia, a nie wyświetlane, ponieważ zaprogramowanie zbyt niskiego napięcia odcięcia lub zbyt wysokiego napięcia ładowania, an podstawie fałszywych wskazań, uszkodzi akumulator.
Dlatego należy zmierzyć miernikiem napięcie na podłączonym do kontrolera akumulatorze i porównać z tym co jest wyświetlane na panelu kontrolera solarnego. Jeśli są identyczne jest ok, jeśli się różnią np +0.3V, należy taka wartość dodać/odjąć, w czasie programowania do wartości 10.5V / 11.5V / 14.4V
2. Drugi znacznie poważniejszy problem, wymaga interwencji mechaniczno-elektrycznej w konstrukcje kontrolera.
Nie jest to czynność skomplikowana, ale konieczna w przypadku stwierdzenia wady. Na czym polega wada?
Przy osiągnięciu napięcia minimalnego, kontroler powinien odłączyć odbiorniki. Kontroler posiada dwa wyjścia na odbiorniki:
- 12V - dwa prawe skrajne zaciski kablowe
- 5V - gniazda USB
Aby sprawdzić czy nasz kontroler prawidłowo odłącza odbiornik, należy do wejść [3][4] podłączyć napięcie 8-9V, np. dwa naładowane akumulatory 18650 połączone w szereg. Na wyjściach [5][6], oraz na USB [7][8] nie powinno być żadnego napięcia. Następnie należy do wejść [3][4] podłączyć napięcie 12V (np. akumulator). Na wyjściach [5][6] powinno być 12V, oraz na USB [7][8] powinno być 5V. USB można sprawdzić podłączając dowolny odbiornik, np telefon komórkowy.
- Kontrola odłączania wyjść.
- solar_controller_pwm_s_nr2.jpg (76.73 KiB) Przejrzano 838 razy
Wiem, wiem, ale jak uzyskać w warunkach domowych napięcie testowe 8-9V? gratisowy livehack
Dwa akumulatory 18650 połączone w szereg, miedzy nimi moneta 1 grosz i to wszystko spięte gumką recepturką, jak na obrazku poniżej
- Livehack - napięcie 8-9V do sprawdzenia kontrolera
- livehack_s.jpg (138.5 KiB) Przejrzano 813 razy
Niestety niektóre modele kontrolerów (te podrobione) odłączają 12V, ale nie odłączają gniazd USB. Taki stan spowoduje ze nod rozładuje akumulator do zera i uszkodzi ogniwo. Rozwiązaniem jest rozebranie kontrolera i przecięcie ścieżek, po jednym miejscu na dole [C1] i górze płytki [C2], oraz dolutowanie przewodu [P] pomiędzy punktami zgodnie z poniższymi rysunkami.
Cięcie ścieżek można wykonać skalpelem lub ostrym nożem do tapet. Należy zwrócić uwagę , aby nie uszkodzić ścieżek sąsiadujących - szczególnie przy C1 .
- Cięcie dół
- ciecie_c1.jpg (86.71 KiB) Przejrzano 846 razy
- Cięcie góra
- ciecie_c2_s.jpg (126.67 KiB) Przejrzano 846 razy
Przed przylutowaniem przewodu, należy przeprowadzić kontrolę poprawności przecięcia, operację wykonuje się omomierzem. Należy sprawdzić brak przejścia pomiędzy punktami [A-B]. Jeśli przejście występuje, należy skorygować cięcie i dopiero wtedy przylutować przewód.
- Cięcie dół, kontrola poprawności
- 20241207_174014_s_c.jpg (97.79 KiB) Przejrzano 846 razy
Interpretacja wyników pomiarowych prądu:
==============================================
Ponieważ moduł pomiaru prądu INA219, jest sensorem dwukierunkowym, uzyskujemy precyzyjną kontrolę prądu rozładowywania oraz prądu ładowania przez panel solarny. Nod pobiera średnio 33mA (należy odczytać przy braku oświetlenia dla swojego egzemplarza). Na liście nodów w obszarze telemetrii, podawana jest wtedy wartość prądu.
1. Jeśli wartość wyświetlana jest (ujemna) w zakresie =< -33mA - oznacza to że akumulator rozładowywany jest wskazanym prądem i nie następuje wspomaganie przez solar,
2. Jeśli wartość wskazywana zawiera się w zakresie -33mA do 0mA - oznacza to, pracę noda wspomaga solar, ale nie następuje ładowanie akumulatora. Wartość prądu wspomagania wynosi: 33mA - "wartość_odczytana",
3. Jeśli wartość odczytana jest > 0mA, nod jest całkowicie zasilany przez solar, a wartość prądu ładowania akumulatora wynosi: "wartość_odczytana"
Poniżej przykłady i interpretacja odczytów:
Prąd pobierany przez noda, wskazywany bez oświetlenia panelu (np w nocy). Akumulator rozładowywany prądem 33.5mA
- Pobór prądu przez noda
- interpretacja1_s.jpg (25.45 KiB) Przejrzano 838 razy
Prąd pobierany przez noda, jest częściowo uzupełniany przez panel solarny, w wielkości 2,7mA. Akumulator rozładowywany prądem 30.8mA
- Pobór przez noda częściowo z panelu
- interpretacja2_s.jpg (26.77 KiB) Przejrzano 838 razy
Prąd pobierany przez noda, jest całkowicie zasilany przez panel solarny oraz akumulator jest ładowany prądem 550.6 mA. W sumie z panelu solarnego dostarczane jest do układu: 550.6 + 33.5 = 584,1 mA
- Całkowite zasilanie noda oraz ładowanie akumulatora
- interpretacja3_s.jpg (25.58 KiB) Przejrzano 838 razy
Uwagi końcowe:
==============================================
Dlaczego lepiej stosować panele o napięciu nominalnym 18V, zamiast paneli o niższych napięciach oraz instalacje zasilania opartą na napięciu12V?
Odpowiedź jest banalnie prosta. Napięcie panelu przy słabym oświetleniu jest niższe i załóżmy, ze spadnie 25%, to jest 13,5V. Taka wartość pozwala jeszcze ładować rozładowany akumulator. A docelowo cały czas jest dostępne zasilanie 5V. W przypadku paneli 9V lub 6V, spadek 25% przy słabym oświetleniu przestaje dostarczać prąd do układu, bo napięcie na wejściu jest za niskie, aby prawidłowo pracowała przetwornica (6,75V dla panelu 9V i 4.5V dla panelu 6V).
Dlaczego warto budować nody oparte na tym typie solarnego PWM?
- mamy kompleksowe i programowalne rozwiązanie zasilania w jednym module,
- jeśli rozmiar obudowy jest zbyt duży można wymontować samo PCB ze środka, a nawet wylutować dość duże zaciski kablowe
- nie zbudujemy porównywalnie funkcjonalnego układu z histerezą, opartego na wielu małych modułach, za tak niską cenę w sumie: 8-15 PLN
- proste podłączenie i niska awaryjność
Sceptycy powiedzą że są lepsze kontrolery MPPT, owszem, ale w przypadku tak małych mocy różnice są pomijalne.
- Możliwość wykorzystania samego układu, bez obudowy
- 20241207_105614_s.jpg (90.61 KiB) Przejrzano 838 razy