Pflanzentopf Entwicklungsverlauf

Bauanleitung Fusion Projekt

Konzept

Minimale Lösung für die Bewässerung einer einzelnen Pflanze. Features:

• Stand Alone
• Akkubetrieben
• Tagesbewässerungsmenge anpassbar
• Möglichst lange mit einer Akkuladung laufen (Effizienz)
• Technik unauffällig (schön) verbauen -> möglichst klein

Design

3D gedruckter Blumentopf, welcher durch Epoxidharz abgedichtet wird. hier

Technik

Mikrocontroller

Technische Daten

Wir haben uns für den ESP32 C6 entschieden, da er klein, energieeffizient, gute Funkstandards und genügend GPIO Pins hat.

Die Codedokumentation ist hier. Außerdem besitzt dieser ESP einen Onboard-LiPo-Laderegler.

Akku

Unsere erste Idee: Alte Lithium Akkus aus E-Zigaretten wiederzuverwenden. Die Maße passen gut. Da wir nicht sicherstellen konnten, ob diese wiederaufladbar sind, haben wir uns aus Sicherheitsgründen für neue entschieden. Nach einiger Recherche haben wir uns für die LP-503035 Lithium-Polymer Akkus entschieden, da sie gute Maße, Schutz von Überladung, Tiefentladung und Kurzschluss haben.

Pumpe

Technische Daten

Wir haben uns gegen die Peristaltikpumpe aus dem vorherigen IP entschieden, da folgende Probleme bekannt waren:

• Große Bauart
• Viel Drehmoment nötig -> Steppermotor -> Treiber -> hoher Stromverbrauch
• unzuverlässig

Aus Vorerfahrungen haben wir uns für eine DC Membranpumpe entschieden. Vorteile:

• kleine Bauart
• Gleichstrom -> einfach anzusteuern
• Rücklaufsicher

Nach einiger Recherchen haben wir uns für dieses Modell entschieden: Mikro Membran-Vakuumpumpe für Gas & Flüssigkeiten 12V von Berry Base Welche wir ursprünglich mit einer 12V Spannungsversorgung betreiben wollten. Da wir durch mehrere Konzeptiterationen gegangen sind, stand uns am Ende nur ein Akku zur Verfügung mit einer Spannung von 3,3V bis 4,2V. Aus diesem Grund verwenden wir jetzt einen Boost-Converter, welcher die Spannung auf ca. 11V anhebt. Der Stromfluss der Pumpe beträgt ca. 300mA.

Boost-Converter

Technische Daten

Um die Pumpe zu betreiben wird eine größere Spannung benötigt, als der Akku zu Verfügung stellt. Bei Gleichspannungen benutzt man Boost-Converter/ Hochsetzsteller um eine höhere Spannung zu erreichen.

Funktionsprinzip

Ein Boost-Converter erhöht die Spannung, indem er eine Induktivität nutzt, um Energie zu speichern und sie dann freizugeben, wenn der Schalter öffnet. Dabei wird die Energie so umgewandelt, dass die Ausgangsspannung höher ist als die Eingangsspannung.

Zuerst wollten wir auf die 12V von unserer 1 Zelligen Akku (3,3V bis 4,2V). Zu beachten sei, dass der Eingangsstrom des Boost Converters ca. 1,1A beträgt, um ausgangsseitig auf 11V 300mA zu kommen.

Version 1

Dafür haben wir zuerst folgenden Boost-Converter getestet:

Dieser schafft es bei 3,3V noch bis 9V hochzusetzen. Da die Pumpe bei 9V auch noch vernünftig arbeitet, haben wir uns entschieden das die 9V ausreichend sind. Weil wir aber nicht durchgehend Pumpen wollen, müssen wir noch einen Transistor vorschalten. Dies ist nötig da die GPIO Ausgänge des ESP nicht genug Leistung liefern, um die Pumpe zu betreiben.

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauteil, das als Verstärker oder - in Sättigung - als elektrischer Schalter fungiert. Wir nutzen in als Schalter. Elektrische Bauteile funktionieren nie ideal, sodass parasitäre Kapazitäten sowie Leckströme auftreten. Des Weiteren fallen Typischerweise um die 1V über den Halbleiter ab.

Laut Datenblatt beträgt der maximale Leckstrom/cut-off current: 0,1uA

Daraus ergibt sich das Problem, dass die Eingangspannung am Boost-Converter unter 3,3V fallen kann (3,3V-1V = 2,3V) und somit die Ausgangsspannung leicht abfällt. Somit sinkt die Pumprate ab.

Version 2

Daraufhin haben wir noch einen 2ten Boost-Converter Bestellt, der niedrigere Eingangsspannungen besser verarbeiten können sollte.

Leider erzielten wir mit diesem schlechtere Ergebnisse als bei der Version 1. Unter den 3,3V bricht die ausgangsseitige Spannung ein und der Converter fängt an zu fiepen.

Version 3

Aus reinem Frust haben wir versucht einen eigenen Boost-Converter zu bauen, da der prinzipielle ideale Aufbau sehr simple ist. Dieser Übermut und Dreistigkeit wurde von der Physik hart bestraft.

Probleme:

1. PWM Signal mit ESP sehr schwierig zu erzeugen
2. GPIO von ESP zu langsam (Max 100kHz)
3. Optokoppler sind zu langsam
4. MOSFET muss bei 3,3V in Sättigung gehen.

Aufbau eines Boost Converters

Durch das schalten des MOSFETs wird die Spule geladen und dann entlädt die Spule ihre Energie über die Diode zum Kondensator und Verbraucher. Je nach Schaltfrequenz und Tastgrad ändert sich die Ausgangsspannung.

zu 1.

Der ESP sollte ein PWM Signal liefern, um den MOSFET anzusteuern. Für diesen Simplen Code wurde die Arduino IDE verwendet. Hier funktionierte einiges erst nicht, da Bibliotheken nicht funktionierten, die funktionieren sollten (ledcwrite). Am ende haben wir in jedem Loop den Ausgang geändert.

Um zu überprüfen, was der ESP grade für ein Signal ausgibt, wurde ein altes Oszilloskop in der Uni genutzt.

zu 2.

Frequenz =~ 100kHz: Das ist die Frequenz mit der der ESP den Loop durchläuft. Für unseren Anwendungsfall eine etwas niedrige Frequenz.

zu 3. und 4.

Der Schalter sollte ein PMOS sein, da wir diesen in einer guten Dimensionierung da hatten (FU9024N). Zum ansteuern haben wir einen Optokoppler (FOC-817D) verwendet. Die Schaltung funktionierte nicht.

Grund: Der Optokoppler kann nicht so hohe Frequenzen schalten. -> Änderung auf überdimensionierten NMOS (IRF640NPBF) -> Ausgangsspannung trotzdem kaum erhöht.

Fehler: NMOS ging nicht in Sättigung -> anderen NMOS verwendet(IRLZ44N) -> von 3,3V Input -> 2,8V (nach dem MOSFET)-> 5,5V Ausgangsspannung nach der Boost Schaltung.

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Eine höhere Ausgangsspannung haben wir mit unserer eigenen Schaltung bei einer Eingangsspannung von 3,3V nicht erzielt. Auch durch das ändern der Induktivität gab es keine Verbesserungen. Erst bei höheren Eingangspannungen zwischen 4V und 5V erzielte die Schaltung hohe Ausgangsspannungen.

Des Weiteren haben wir festgestellt, wie stark der große MOSFET mit der dahinterliegenden Schaltung das Rechtecksignal verfälscht.

Fazit

Da wir noch schlechtere Ergebnisse erzielt haben, sind wir wieder zu Version 1 zurückgekehrt.

Unsere Vermutung ist, dass die Innenwiderstände aus Spule und Transistor bei diesen Frequenzen zu hoch sind. Dadurch kann bei einer so kleinen Eingangspannung nicht der nötige Strom fließen um genug Energie zu übertragen.

Version 4

Nach dem wir Probleme hatten, das der Transistor vor dem Boost-Converter zu viel Spannungsabfall verursacht, sodass die Ausgangsspannung leicht abfällt, haben wir in das Datenblatt von unserem Boost-Converter gesucht und einen Enable Pin gefunden. Damit können wir das boost Verhalten ausschalten. Das ist eigentlich schon sehr gut, aber wenn das boost Verhalten ausgeschaltet wird, ist die Eingangsspannung immer noch durch geschaltet.

Damit kann die Pumpe manchmal noch laufen, je nachdem wie hoch die Akkuspannung ist. Unsere Idee liegt darin, dieses Verhalten mit einer Zener-Diode zu unterbinden. Das bedeutet wir schalten in der Ausgangsseite eine Zenerdiode, welche erst durchschaltet, wenn die hochgesetze Spannung anliegt. Dafür haben wir eine 5,4V Zener-Diode hinter die Pumpe in gegen ihre normale Schaltrichtung eingebaut.

Das hat gut funktioniert und hat das durchschalte Problem gelöst und eine stabile Ausgangsspannung erzielt. Leider haben wir danach ein neues Problem entdeckt: Der Stromverbrauch von dem Aufbau, im ausgeschalteten Zustand (Enable Pin auf Off/GND), ist bei ca. 36uA bei 4V Eingangsspannung. Das ist signifikant mehr als bei Version 1. Um den Strom im ausgeschalteten Zustand zu verbessern können wir die Widerstände beim Spannungsteiler vergrößern, damit weniger Strom fliest.

Außerdem haben wir auch beim Pumpen ungünstigerweise noch einen Verlust über die Zener-Diode (ca. 1.5W). Somit ist diese Lösung leider aus Energie Effizienz Gründen nicht vertretbar.

Version 5

Um die Probleme der Version 4 zu beheben haben wir probiert einen Transistor als Schalter in Kombination mit einer Zener-Diode einzusetzen. Des Weiteren haben wir die größeren Widerstände verlötet.

Im aktiven Pump betrieb hat diese Version 1,17A bei 3,3V Eingangsspannung und 10,95V Ausgangsspannung. Im ausgeschalteten Zustand messen wir weniger als 1uA Stromfluss. Dies ist uns gut genug, da die parasitären Sperrströme eines Transistors im gleichen Bereich liegen.

Das größte Problem lag in dem abgreifen des Enable Pins des Boost-Converter Controllers, da dies ein SMD Bauteil ist.

Als nächster Schritt wäre es sinnvoll den Boost-Converter ebenfalls in Fusion einzupflegen. Sobald dies der Fall ist, sollte es recht einfach möglich sein ein PCB zu Fräsen. Leider ist die Platinen-fräse des Makerspace aktuell kaputt und eine Bestellung würde zu lange dauern, sodass die Einpflege des Boost Converters in den Schaltplan in Fusion eine niedrige Priorität hatte.

Version Idee

Auf der Suche nach anderen Lösungen sind wir auf den Chip TPS61372 gestoßen.

Der Vorteil des Chips ist, dass dieser einen Enable Pin besitzt, welcher den Ausgang komplett ausschaltet. Somit wäre kein zusätzlicher Transistor zum Abschalten nötig. Zukünftig wäre es einen Versuch wert diesen Chip zu testen. Abzuwägen wäre, was Wirtschaftlich Sinn ergibt. Insbesondere die äußere Beschaltung scheint mehr Bauteile zu benötigen.