DG1XPZ - Solarleuchte mit ATmega8

Die "neue" Solarleuchte sollte mit sparsamen Leuchtmittel ausgestattet sein und eine Abschaltmöglichkeit (aus der Ferne) aufweisen, damit sie nicht die ganze Nacht hindurch leuchtet.
   Als Leuchtmittel habe ich 4 weiße LED's mit je 10 Candela verwendet (Conrad , Best.Nr.: 17 67 24, Preis 99 ct). Eine ersetzt das Halogen-Leuchtmittel und die drei anderen ersetzen die roten LED's die als Wegmarkierung auf einem Ring rund um die Halogen-Fassung angebracht waren (Bild 1). Die LED's werden parallelgeschaltet und mit einem Strom von 100 mA betrieben. Das sind dann 25 mA pro LED (5 mA über der vorgesehenen Flußpannung). Die LED's im Ring werden dann auf den Spiegel im Lampenunterteil ausgerichtet (Bild 2).
   Für die konstante Helligkeit der LED's soll, in der Luxus-Version, ein Step-Down-Schaltregler sorgen (34063).
Vorerst wird die Helligkeit der LED's mit einem LT317 (einstellbarer Linear-Spannungsregler) festgelegt. Das hat aber den Nachteil, das bei sinkender Akkuspannung, ab einem bestimmten Punkt (ca. 6 Volt) die Helligkeit abnimmt. Der Schaltregler aber würde bis zu einer Eingangsspannung von 4.7 Volt eine konstante Ausgangsspannung liefern und ist sparsamer (vor allem in den Wintermonaten), da er nicht die gesamte Verlustleistung (ca. 0.5 bis 0.7 Watt) in Wärme umwandeln muss .
   Als Fern-Abschaltmöglichkeit habe ich einen IR-Empfänger TSOP1736 verwendet, der hinter der Halbkugel den Bewegungssensor ersetzt (Bild 3). Mit einer handelsüblichen RC5-Fernbedienung lässt sich dann die Solarleuchte aus einer Entfernung von ca. 5 bis 6 Meter ausschalten bzw. bei Dunkelheit auch wieder einschalten.
   Die eingegossene Solarzelle im Deckel ist eine Siemens-Solarzelle mit 1.2 Watt. Sie liefert bei einer Nennspannung von 9.2 Volt einen Strom von ca. 130 mA (unter optimalen Bedingungen).

Bild 1: LED's

Bild 2: Spiegel (original)

Bild 3: TSOP 1736

Die obere Gehäuseschale wurde dann auf der Unterseite mit Spiegelfolie beklebt um die Lichtausbeute noch zu vergrößern.

Bild 4: oberer Reflektor

Bild 5: Leiterplatte

Auf der Leiterplatte befindet sich oben, unter der Halbkugel, der Infrarot-Empfänger (TSOP 1736). Rechts unterhalb der Halbkugel befindet sich die Status-LED (D1). Die LED zeigt per Morsecode an, ob der Akku noch geladen wird (c=charge) oder die Ladeschlussspannung erreicht war (f=full), sowie die Akkuspannung 2-stellig an (erste Zahl vor und nach dem Komma). Zur Auslösung dient die Taste 1 bzw. 2 auf der Fernbedienung. In der Mitte befindet sich der Microcontroller. Der ATmega8L ist ein Low-Power-Typ, der mit einer Betriebsspannung von 2.8 bis 5.5 Volt arbeitet. Die Taktfrequenz beträgt 1 MHz. Unterhalb des ATmega sind die zwei (erweiterter Schaltplan siehe unten) IRF7401 zu sehen, die gesockelt wurden. Sie sind verantwortlich für das Schalten des Lichts. Links, unter der roten Test-LED (zeigt nur Ladefunktion an) befinden sich die 2 Transistoren (BC328/548) die für das Laden des Akkus zuständig sind. Für die Spannungsversorgung des ATmega und des TSOP 1736 dient der LP2950. Es ist ein 5 Volt Low-Drop-Linearregler, der zwischen Eingang und Ausgang einen minimalen Spannungsabfall von ca. 0.5 Volt aufweist. So bleibt für den ATmega auch beim Unterschreiten der Entladeschlussspannung von ca. 4.5 Volt (0.9 Volt je Zelle) noch eine ausreichende hohe Betriebsspannung um korrekt arbeiten zu können (bei der Verwendung eines normalen Spannungsreglers, wie z.B. der 78L05, arbeitete der ATmega dann nicht mehr korrekt). Der TL431 sorgt für eine Referenzspannung von 2.5 Volt mit 30ppm/°C zur Akku- u. Solarspannnungsmessung..

Das Stromverhalten der gesamten Schaltung sieht wie folgt aus: Der ATmega verbraucht bei 5V ca. 9mA. Der Spannungsregler verbraucht ebenfalls 9mA und der Rest der Schaltung noch mal ca. 3mA. Insgesamt sind das dann ca. 122mA, mit 100mA Beleuchtungsstrom, bzw. 12mA, ohne Beleuchtung, die die Schaltung dem Akku entzieht. Der Akku sollte also mindestens so dimensioniert werden, das er nach Erreichen der LED-Abschaltspannung von 5 Volt, über Nacht, nicht unter den Wert der Entladeschlussspannung von 4.5 Volt ( 0.9 Volt je Zelle zur Verringerung des Memoryeffekts möglich) sinkt. Ich verwende für meine Solarlampe ausrangierte Akkus die aufgrund ihres zu hohen Innenwiderstandes nicht mehr für Camcorder etc. zu gebrauchen waren. Es sollte darauf geachtet werden, das die Rest-Kapazität der Zellen ähnlich ist. Meine Zellen haben noch eine Kapazität von ca. 700mAh (Aufdruck 1500mAh). Das würde dann rein rechnerisch für eine Leuchtdauer von 5.7 Stunden reichen (Akkukapazität 700mAh / Stromverbrauch 122mA = Leuchtdauer). Wem die Leuchtdauer nicht ausreichend erscheint , der muss entsprechen die Anzahl der LED's und/oder den Strom reduzieren. Wie lange würde es dauern bis das Solarmodul den Akku wieder aufgeladen hat ? Akkukapazität 700mAh * Faktor 1.4 / Ladestrom 165mA = 6 Stunden muss die Sonne optimal auf das Solarmodul scheinen, dann ist der Akku voll. Im Sommer sind diese Werte im Normalfall zu erreichen, in den Wintermonaten ist das fast unmöglich den Akku an einem Tag voll zubekommen, da der Ladestrom aufgrund des niedrigen Sonnenstandes bei ca. 90mA liegt. Denkbar wäre für diesen Zeitraum z.B. eine Helligkeitsdimmung per PWM.
Der Timer1 des ATmega8 (PinB.1 /OC1) ist von Haus aus für eine direkte PWM-Steuerung vorgesehen. Dabei wird keinerlei zusätzliche Rechenzeit benötigt. Um die Helligkeit zu ändern muss lediglich dem Register Pwm1a ein neuer Wert zugewiesen werden:

Solarleuchte mit ATmega 8

und Statusmeldung per Morse-Code