De buitensensor van weerstation P41_Ermelo is voorzien van een batterijvoeding (3 x 1,5V). Hoewel het stroomverbruik van de sensor gering is en de batterijen dus lange tijd kunnen meegaan – in ieder geval meer dan een half jaar – zou het fijn zijn om niet steeds de batterijen te hoeven verwisselen. Dat scheelt een klim op het dak en het is wel zo makkelijk om er geen omkijken meer naar te hebben. Dan hoef ik me niet meer af te vragen hoe lang de batterijen nog zouden meegaan. En of de indicator al op het weerstation oplicht die aangeeft dat de batterijen moeten worden vervangen. Het is dus wel zo praktisch om een voeding te hebben die de 230V netspanning omlaag brengt naar een zuinige 4,5V gelijkspanning. En dan het liefst zonder gebruik te maken van een transformator.
Vereisten aan de voeding
- zeer laag stroomverbruik (< 1.5W)
- geen transformator
- indicator die aangeeft wanneer de buitensensor stroom gebruikt voor overdracht van het draadloze signaal naar het weerstation.
- veilig, bestand tegen piekspanningen
- weinig componenten
Beschrijving van de schakeling
LET OP: de gehele schakeling staat onder netspanning! Wanneer je de gevaren hiervan niet volledig begrijpt of niet goed weet hoe je deze gevaren kunt voorkomen, bouw deze schakeling dan niet. LEVENSGEVAARLIJK.
De fasedraad van de netspanning wordt verbonden met de zekering (500mA) die in samenwerking met de varistor ervoor zorgt dat er geen grote stromen kunnen optreden bij onverhoopte piekspanningen op het 230V stroomnet. Mocht zich een piek voordoen al is het maar in een fractie van 1 μs, dan biedt de varistor een zeer lage weerstand waardoor de piekspanning via de varistor en de weerstand van 100Ω weggevoerd wordt. De zekering slaat door en de schakeling is beschermd.
Een condensator heeft als eigenschap dat deze een reactieve weerstand biedt tegen een langzaam wisselende spanning. Deze schakeling maakt hiervan zo gebruik dat de weerstand hoog genoeg is om de 230V netspanning te breken en voldoende stroom door te laten voor het functioneren van de buitensensor.
Condensator als spanningsbreker
Even over de werking van de condensator: als deze eenmaal is opgeladen, laat deze geen gelijkstroom meer door. Bij een wisselende stroom kan de condensator opladen en ontladen waardoor deze de wisselende spanning doorgeeft. Hoe hoger de frequentie, des te lager de weerstand die de condensator biedt aan de wisselende spanning. Dit gebeurt zonder warmteverlies omdat stroom en spanning 90° in fase uit elkaar lopen.
In deze schakeling verzet de condensator met een capaciteit van 100nF (2x47nF) zich tegen de relatief lage (50Hz) netfrequentie in hoge mate. Met de formule 1/(2π*f*C) is de reactieve weerstand (reactantie) van de condensator te berekenen. Bij een frequentie f van 50Hz en een capaciteit C van 47nF is de weerstand gelijk aan 67,7kΩ (33,9kΩ bij 2x47nF).
De parallel aan de condensator geschakelde weerstand (4,7MΩ) is bedoeld als bleeder resistor. Deze weerstand zorgt voor een ontladingspad van de condensator wanneer de voeding uitgeschakeld is. Dit voorkomt een schok wanneer de condensator zou worden aangeraakt. De uitgangsweerstand 100Ω heeft tot doel om de stroom door de schakeling te beperken wanneer de voeding aangezet wordt.
Via een bruggelijkrichter en een elco van 100μF wordt de spanning afgevlakt. Kies voor een condensator die met grote spanningen overweg kan, in dit geval 65V. In plaats van een spanningsregelaar zoals de LM7805 is gekozen voor het gebruik van een zenerdiode. Een zenerdiode heeft als voordeel dat deze grotere spanningsverschillen kan hanteren dan een spanningsregelaar. Een zenerdiode met een doorslagspanning van 5,1V geeft een stabiele spanning die nodig is om een spanning van 4,1V te leveren aan de buitensensor. De voorschakelweerstand van 100Ω is als extra waarborg bedoeld tegen te hoge stroompieken vanuit de condensator naar de zenerdiode toe.
Zichtbaar maken van activiteit in de buitensensor
Om de twaalf seconden maakt de buitensensor van het weerstation draadloos contact met het weerstation. Op het moment dat draadloze communicatie plaatsvindt, neemt de sensor meer stroom af van de voeding. Deze hogere stroomafname is zichtbaar gemaakt met behulp van een led indicator lampje.
De optocoupler heeft twee gescheiden circuits: een emitter circuit dat bestaat uit een LED. Het licht dat de LED uitzendt, wordt waargenomen in de fototransistor van de detector: dit is het tweede circuit. Hoe hoger de stroom in het emitter-circuit van de LED, hoe meer licht deze uitzendt en des te meer stroom er door de darlington transistor heen gaat.
Vanzelfsprekend hangt de hoeveelheid stroom in de transistor af van de weerstand die aan de collector of emitter gekoppeld is. Het LED indicator lampje is verbonden met de emitter van de optocoupler en licht dus feller op naarmate de sensor via het circuit (anode-kathode) meer stroom afneemt.
Optioneel: Supercap
De voeding naar het weerstation bedraagt circa 1V lager dan de zenerspanning. Dit wordt veroorzaakt door de spanningsval over de LED van de optocoupler (ca 0,95V). Voor de buitensensor is 4,1V voldoende om de metingen te verrichten en de meetdata draadloos te communiceren naar het weerstation. Voor een stabiele meting door de sensoren, zoals de regenmeter, is een stabiele spanning vereist. Wanneer tijdelijk meer stroom gevraagd dan door de voeding kan worden geleverd, moet de stroom door een buffer geleverd worden. De supercap zorgt hiervoor. Dit is handig wanneer de stroom regelmatig uitvalt. Een supercap is een condensator met een zeer grote capaciteit, vaak meer dan 1F, die de stroom snel kan leveren bij spanningsuitval of wanneer de voeding onvoldoende kan leveren. De stroomindicator heeft nu minder nut omdat de stroomafname door de optocoupler niet meer zal variëren als gevolg van de grote buffercapaciteit die kleine stroompieken zal opvangen zonder dat dit effect heeft op de stroom die (in de optocoupler) afgenomen wordt.
De stroomafname van de gehele schakeling bedraagt circa 7mA. Bij een netspanning van 230V is het verbruikte vermogen ca 1,4W. Een schakeling met transformator komt op een continu vermogen zonder belasting al snel op 2 of 3W. Geen onaardig resultaat dus. De schakeling werkt overigens ook prima met een spanningsbreker-condensator van 47nF in plaats 2x47nF. De te leveren stroom is dan de helft kleiner, namelijk 3,5mA. Dan is de supercap nog belangrijker geworden en het is zaak goed te testen dat de supercap zich snel genoeg kan opladen wanneer minder stroom door de buitensensor verbruikt wordt zodat de supercap voldoende kan bufferen bij extra stroomvraag.
De tijd waarin de supercap zich oplaadt of ontlaadt is als volgt te berekenen (met Q = hoeveelheid lading, C = capaciteit, V = spanning, I = stroom, T tijd, f = frequentie):
Q = C * V Q = I * T f = 1 /T I * T = C * V, dus C = (I * T) /V of C = I / (f * V)
Smoorspoel
De ferrite bead is een soort smoorspoel die ongewenste elektromagnetische interferentie van buiten tegenhoudt. Je ziet deze dingen vaak aan het uiteinde van een muis- of voedingskabel. Zonder een smoorspoeltje bleek de neerslagmeter zo nu en dan onverklaarbare uitslagen te geven: neerslag werd waargenomen terwijl er geen neerslag was gevallen. Wellicht komt dit door rimpels op de spanning die de neerslagmeter als neerslag waarneemt. Na de smoorspoel kun je nog een kleine condensator toevoegen van bijvoorbeeld 0,1μF om resterende rimpeltjes te absorberen.
Uitbreiding schakeling
De stroomafname indicator kan verder worden uitgebreid. In plaats van een optocoupler is gebruik gemaakt van een kleine weerstand van 2,2Ω die bij een stroom van 2mA een spanningsval geeft van 2mA x 2,2Ω = 4,4mV. Dit verschil is ruim voldoende om door een operationele versterker (opamp) te laten vergroten tot een spanningsverschil van enkele Volts. Uit oogpunt van stabiliteit is gekozen voor een traditionele gelijkrichter schakeling met behulp van een 78Lxx spanningsregelaar. De spanning van 5V gaat naar het weerstation toe. De spanning van 10V wordt door de opamps gebruikt om de drie LED indicatoren te laten oplichten bij ruststroom (rood), lage stroomafname (blauw) en hoge stroomafname (twee keer blauw).
De buffer-opamp zorgt ervoor dat de spanningsval niet wordt beïnvloed door wat er ‘verderop’ in de schakeling gebeurt. De opamp heeft immers een zeer hoge ingangsimpedantie en een lage (uitgangs)impedantie. Op die manier wordt vermeden dat de signaalbron belast wordt door de daaropvolgende schakeling.
Voor de weersensor is een spoel(tje) aangebracht om eventuele rimpelingenin de spanning, die ontstaan tijdens transport van de stroom door de kabel, weg te poetsen. Ter voorkoming van piekspanningen bij het uitzetten van de sensor is een flyback diode aangebracht. Deze diode biedt een alternatief circuit aan voor de stroom die door het magnetisch veld van de spoel is opgebouwd. Tegen de lage drempelspanning van de diode kan de stroom terugvloeien. Zie ook de toelichting op wikipedia.