Das Mobilfunkmodul SIM800L ist preiswert, in großer Stückzahl am Markt verfügbar und wird in vielen IoT-DIY-Projekten eingesetzt. Das Modul wurde konzipiert für den Einsatz in Mobiltelefonen mit einer Li-Ion-Spannungsversorgung von 3,7 Volt. Es ist anspruchsvoll hinsichtlich der Spannungsversorgung (3,6-4,4 Volt, bis zu 2A) Stromspitzen. Dieser Beitrag beschreibt zwei Ansätze für die Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls in Szenarien, in denen keine adäquate stromstarke Spannungsquelle zur Verfügung steht.
Stand: Ersterstellung 2023, Update 20.03.2024
Zitierung: Brell, Claus (2023) Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls. Online Ressource, abrufbar unter https://cbrell.de/blog/spannungsversorgung-des-sim800l-mobilfunkmoduls/
Ausgangslage
Im Projekt Biene40 sollen vernetzte intelligente Sensoren im Bienenstock zum Einsatz kommen. Neben WLAN und LoRaWAN ist Mobilfunk (GPRS, NB-IoT) eine Möglichkeit, Daten aus dem Bienenstock auf einen Internet-Server zu übertragen. Das Projekt setzt auf Spannungsversorgung über
- automobile Camping-Technik (12 Volt Bleiakku mit preiswerter Regelungstechnik und solarer Versorgung).
- 6 Volt Technik (mit Bleivlies-Akkus und einfacher solarere Versorgung)
- 5 Volt Technik über handelsübliche Powerbanks, insbesondere für die Entwicklungs-Test-Szenarien
Die Spanungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls erfordert eine stabile Spanungsquelle von 3,6-4,4 Volt, beim Verbindungsaufbau zum Mobilfunknetz sind kurzfristig Ströme bis 2 A erforderlich. Der Stromverbrauch des Moduls im Einzelnen wird abgeschätzt mit
Power down. 60µA Sleep mode 1mA StandBy 18mA Anruf 130 bis 250mA GPRS bis 500 mA Übertragungsspitzen bis 2A
Lösungsansätze
Das gesamte Entwicklungs- und Test-Szenario
Für die Steuerung des SIM800L kommt ein Raspberry Pi Zero W Version 1.1 zum Einsatz. Die serielle Verbindung zum SIM800L erfolgt über die entsprechenden GPIO. Das SIM800L-Modul bekommt eine O2/Telefonica IoT Karte, getestet wurde ebenfalls eine einfache Prepaid-SIM-Karte Aldi Talk.
Update: Eine gute und zuverlässige IoT-Lösung ist die SIM-Karte von 1nce, einer Telekom-Tochter. Die gibt es nur im B2B für Unternehmen, nicht für private Kunden.
Das SIM800L Modul ist ein einem Steckbrett verbaut. Dem Datasheet folgend erhält dasSIM800L Modul einen Stützkondensator (Elko) von 470 MikroFarad sowie einen weiteren Tantal-Kondensator von 33pF. Die seriellen Ein- und Ausgänge sind für (ungewöhnliche) 2,8 Vol ausgelegt. Ein Betrieb mit 3,3 Volt führte zuweilen (sehr selten) zur unzuverlässigen Übertragung, dem Datenblatt folgend erhielten die seriellen Anschlüsse Spannungsteiler mit 1kOhm, und 5,6kOhm.
Abb. 1: Das gesamte Testszenario, hier noch zusätzlich mit einer Energiesteuerung, um auch bei wenig Solareintrag Energie zu sparen.
Schaltung des Spannungsreglers für Ausgangsspannung 5 Volt
Aufbau
Die Schaltung ist simpel und basiert darauf, dass an Dioden in Durchlassrichtung eine Spannung abfällt. Mit drei Leistungsdioden wird so im Betrieb mit dem SIM800L eine Spannung von 4,2 bis 4,3 Volt erreicht. Die LED mit dem Vorwiderstand hat nicht nur dekorativen Charakter. Ohne LED beträgt die Leerlaufspannung 4,93 Volt. Mit der LED wird die Diodenkette mit einem kleinen Strom belastet, das dass der dann unbelastete Ausgang der Schaltung 4,35 Volt aufweist. Damit wird die maximale Spannung des SIM800L nicht überschritten.
Schaltung folgt
Abb. 2: Schaltung der Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls für 5 Volt
Abb. 3: Testimplementierung der Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls für 5 Volt Primärspannung auf einem Steckbrett. Benötigt werden: Drei Leitungsdioden, eine rote LED, ein Vorwiderstand 330 Ohm
Die Schaltung wie für 6 Volt funktioniert nicht für 5 Volt.
Test
In Tests zeigte sich, dass der Ausgang der Schaltung für 6 Volt bis zu 3,58 Volt liefert. Die Spannung bricht etwas ein, sobald der SIM800L versucht, eine Verbindung zum Mobilfunknetz aufzubauen. Die Schaltung für 6 Volt ist also für einen Betrieb mit USB-Powerbanks nicht geeignet.
Die Schaltung mit den drei Dioden wurde lediglich im Labor mit mehrmals wenigen betriebsstunden getestet, erwies sich dort als zuverlässig. Die Spannung sank auch beim Senden über GPRS nicht unter 3,9 Volt.
Schaltung des Spannungsreglers für Ausgangsspannung 12 Volt
Wird die 12 Volt Spannung auf der Eingangsseite durch einen DC-DC_Wandler auf 5 Volt reduziert, ist eine Schaltung des Spannungsreglers wie für 5 Volt erforderlich. Wird 12 Volt direkt für die Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls genutzt, kommt die Schaltung wie für 6 Volt zum Einsatz.
Schaltung des Spannungsreglers für Ausgangsspannung 6 Volt
Die Spannungsversorgung über einen 6 Volt Bleiakku liefert Spannungen von knapp unter 6 Volt (hierbei wird der Akku langfristig geschädigt) bis zu 7,2 Volt (Ladeschlussspannung). Bei einfachen Regelungen des Ladegerätes (inkl Solarpanel) und vorgeschädigtem Akku können auch höhere Spannungen auftreten. Es ist daher eine Spannungsregelung erforderlich. Zum Einsatz kommt ein einstellbarer Spannungsregler, die Ausgangsspannung wird durch einen Spannungsteiler festgelegt. Die Kondensatoren nahe des Spannungsreglers unterdrücken die Schwingneigung.
Aufbau
Schaltung folgt
Abb. 4: Schaltung der Spannungsversorgung für 5 Volt
Abb. 5: Testimplementierung der Spannungsversorgung des SIM800L Mobilfunkmoduls für 6 Volt Primärspannung auf einem Steckbrett. Benötigt werden: Einstellbarer Spannungsregler, hier mit max. 3A, Widerstände 120 Ohm, 220 Ohm und 47 Ohm, zwei Elkos mit 4,7 MikroFarad
Test
Der Test erfolgte im Außeneinsatz über mehrere Monate und erwies sich als zuverlässig. Die Spannung am SIM800L beträgt immer zwischen 3,98 und 4,0 Volt.
Fazit
Anhang
Quellen
Was ist IoT: Was ist IoT (Internet of Things)?
Alternative LoRa: Topologie IoT mit LoRa – The Things Network
Beschreibung des SIM-Moduls und der AT-Befehle: https://elektro.turanis.de/html/prj237/index.html
Ein Beispielprojekt mit einem Arduino und Versenden von SMS: https://g-heinrichs.de/attiny/module/SIM800L.pdf
Glossar
Mobilfunk
Mobilfunk, auch bekannt als mobile Kommunikation oder drahtlose Telekommunikation, ist ein Kommunikationssystem, das die drahtlose Übertragung von Sprache und Daten über elektromagnetische Wellen ermöglicht. Das Mobilfunksystem basiert auf einer Netzwerkinfrastruktur, die aus Mobilfunkmasten, Basisstationen und Vermittlungsstellen besteht. Diese Infrastruktur ermöglicht es den Mobilfunkbetreibern, drahtlose Dienste bereitzustellen, indem sie Funkwellen verwenden, um Signale zwischen Mobiltelefonen (oder IoT-Devices) und dem Netzwerk zu übertragen.
Sprachkommunikation: Mobiltelefone ermöglichen es Benutzern, in Echtzeit miteinander zu sprechen, unabhängig von ihrer physischen Position.
Textnachrichten (SMS): Kurznachrichtendienste (Short Message Service) ermöglichen es Benutzern, Textnachrichten an andere Mobiltelefone zu senden. SMS kann auch in IoT-Szenarien eingesetzt werden.
Mobile Daten: Mobilfunknetze unterstützen die Übertragung von Daten von und in das Internet von mobilen Geräten aus.
Mobilfunktechnologie hat sich kontinuierlich weiterentwickelt, von 2G (2. Generation) über 3G bis hin zu 4G und 5G, wobei jede Generation schnellere Datenübertragungsraten und verbesserte Netzwerkleistung verspricht. 3G soll zukünftig eingestellt werden, 2G wird noch länger Bestand haben, da hierauf SMS basiert.
Autor und Lizenz
Autor: Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell, aktuelle Projekte: Biene40, AI4Bee
Lizenz: CC BY 
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