AVT5598 – 12-V-Solarladegerät

Photovoltaikmodule werden immer günstiger und daher immer beliebter. Sie können erfolgreich zum Laden von Batterien beispielsweise in einem Landhaus oder einer elektronischen Wetterstation eingesetzt werden. Bei dem beschriebenen Gerät handelt es sich um einen Laderegler, der dazu geeignet ist, mit einer Eingangsspannung zu arbeiten, die in einem sehr weiten Bereich variiert. Es kann auf dem Gelände, auf einem Campingplatz oder Campingplatz nützlich sein.

1. Schematische Darstellung des Solarladegeräts

Das System dient zum Laden einer Blei-Säure-Batterie (z. B. Gel) im Pufferbetrieb, d. h. Nach Erreichen der eingestellten Spannung beginnt der Ladestrom zu sinken. Dadurch befindet sich der Akku immer im Standby-Modus. Die Versorgungsspannung des Ladegeräts kann zwischen 4 ... 25 V variieren.

Durch die Möglichkeit, sowohl starkes als auch schwaches Sonnenlicht zu nutzen, erhöht sich die Ladezeit pro Tag deutlich. Der Ladestrom hängt stark von der Eingangsspannung ab, diese Lösung hat jedoch Vorteile gegenüber der bloßen Begrenzung der Überspannung des Solarmoduls.

Die Ladeschaltung ist in Abb. dargestellt. 1. Die Gleichstromquelle ist ein SEPIC-Topologiekonverter, der auf dem günstigen und bekannten MC34063A-System basiert. Es funktioniert in der typischen Rolle eines Schlüssels. Bei zu geringer Spannung am Komparator (Pin 5) beginnt der eingebaute Transistorschalter mit konstanter Füllung und Frequenz zu arbeiten. Der Betrieb stoppt, wenn diese Spannung die Referenzspannung (typischerweise 1,25 V) überschreitet.

SEPIC-Topologiewandler, die die Ausgangsspannung sowohl erhöhen als auch senken können, verwenden viel häufiger Controller, die die Auffüllung des Tastsignals ändern können. Der Einsatz des MC34063A in dieser Rolle ist eine seltene Lösung, aber – wie Prototypentests gezeigt haben – für diese Anwendung ausreichend. Ein weiteres Kriterium war der Preis, der im Fall des MC34063A deutlich unter dem von PWM-Controllern liegt.

Zwei parallel geschaltete Kondensatoren C1 und C2 dienen zur Reduzierung des Innenwiderstands einer Stromversorgung, beispielsweise eines Photovoltaikmoduls. Durch die Parallelschaltung werden die resultierenden parasitären Parameter wie Widerstand und Induktivität reduziert. Der Widerstand R1 wird verwendet, um den Strom dieses Prozesses auf etwa 0,44 A zu begrenzen. Ein höherer Strom kann zu einer Überhitzung des integrierten Schaltkreises führen. Der Kondensator C3 stellt die Betriebsfrequenz auf etwa 80 kHz ein.

Die Induktivitäten L1 und L2 und die daraus resultierende Kapazität der Kondensatoren C4–C6 sind so gewählt, dass der Wandler in einem sehr weiten Spannungsbereich arbeiten kann. Die Parallelschaltung von Kondensatoren sollte den resultierenden ESR und ESL reduzieren.

Die Diode LED1 dient zum Testen der Funktionalität des Controllers. Wenn ja, dann lagert sich der variable Spannungsanteil an der Spule L2 ab, was am Leuchten dieser Diode zu beobachten ist. Damit es nicht ständig sinnlos leuchtet, schaltet es sich durch Drücken der S1-Taste ein. Der Widerstand R3 begrenzt seinen Strom auf etwa 2 mA und D1 schützt die LED-Diode vor einem Durchschlag durch zu hohe Abschaltspannung. Der Widerstand R4 sorgt für eine bessere Wandlerstabilität bei geringem Stromverbrauch und niedriger Spannung. Es absorbiert einen Teil der Energie, die die L2-Spule an die Last abgibt. Es beeinflusst den Wirkungsgrad, ist aber gering – der Effektivwert des durchfließenden Stroms beträgt nur wenige Milliampere.

Die Kondensatoren C8 und C9 glätten den über die Diode D2 zugeführten Welligkeitsstrom. Der Widerstandsteiler R5-R7 stellt die Ausgangsspannung auf etwa 13,5 V ein, was der korrekten Spannung an den 12-V-Gel-Batterieklemmen während des Pufferbetriebs entspricht. Diese Spannung sollte leicht mit der Temperatur variieren, diese Tatsache wurde jedoch weggelassen, um das System einfach zu halten. Dieser Widerstandsteiler belastet die angeschlossene Batterie ständig und sollte daher einen möglichst hohen Widerstand aufweisen.

Der Kondensator C7 reduziert die vom Komparator wahrgenommene Spannungswelligkeit und verlangsamt die Reaktion der Rückkopplungsschleife. Ohne sie kann es beim Abklemmen der Batterie dazu kommen, dass die Ausgangsspannung den sicheren Wert für Elektrolytkondensatoren überschreitet, also entweicht. Das Hinzufügen dieses Kondensators führt dazu, dass das System von Zeit zu Zeit das Umschalten des Schlüssels stoppt.

Das Ladegerät ist auf einer einseitigen Leiterplatte mit den Abmessungen 89 × 27 mm montiert, deren Montageplan in Abb. dargestellt ist. Figur 2. Alle Elemente sind in Durchsteckgehäusen untergebracht, was auch für Leute, die nicht viel Erfahrung mit einem Lötkolben haben, eine große Hilfe ist. Ich empfehle, keinen IC-Sockel zu verwenden, da dadurch der Widerstand der Verbindungen zum Schalttransistor erhöht wird.

2. Installationsdiagramm des Solarladegeräts

Ein korrekt montiertes Gerät ist sofort betriebsbereit und erfordert keine Inbetriebnahme. Im Rahmen der Steuerung können Sie an seinen Eingang eine konstante Spannung anlegen und diese in einem vorgegebenen Bereich von 4 ... 20 V einstellen, indem Sie die Messwerte eines am Ausgang angeschlossenen Voltmeters beobachten. Er sollte im Bereich von etwa 18 ... 13,5 V sägezahnförmig wechseln. Der erste Wert hängt mit der Ladung der Kondensatoren zusammen und ist nicht kritisch, aber bei 13,5 V sollte der Wandler wieder funktionieren.

Der Ladestrom hängt vom aktuellen Wert der Eingangsspannung ab, da der Eingangsstrom auf ca. 0,44 A begrenzt ist. Messungen haben gezeigt, dass der Batterieladestrom bei einer Spannung von 50 V zwischen ca. 4 mA (0,6 V) und ca. 20 A.A schwankt V. Sie können diesen Wert verringern, indem Sie den Widerstand R1 erhöhen, was manchmal bei Batterien mit geringer Kapazität (2 Ah) ratsam ist.

Das Ladegerät ist für den Betrieb mit einem Photovoltaikmodul mit einer Nennspannung von 12 V ausgelegt. An seinen Ausgängen können bei geringem Stromverbrauch Spannungen bis zu 20 ... 22 V anliegen, daher sind an die Spannung von 25 V angepasste Kondensatoren verbaut am Eingang des Wandlers. Die Verluste sind so hoch, dass die Batterie kaum geladen wird.

Um die Vorteile des Ladegeräts optimal nutzen zu können, schließen Sie ein Modul mit einer Leistung von 10 W oder mehr an. Bei geringerer Leistung lädt sich auch der Akku auf, allerdings langsamer.

Liste der Komponenten:

Widerstände:

R1: 0,68 Ohm/1 Watt

R2: 180 Ohm/0,25 Watt

R3: 6,8 kΩ / 0,25 W

R4: 2,2 kΩ / 0,25 W

R5: 68 kΩ / 0,25 W

R6: 30 kΩ / 0,25 W

R7: 10 kΩ / 0,25 W

Kondensatoren:

C1, C2, C8, C9: 220 μF/25 V

C3: 330 pF (Keramik)

C4…C6: 2,2 μF/50 V (MKT R = 5 mm)

C7: 1 μF/50 V (monolit.)

Halbleiter:

D1: 1H4148

D2: 1H5819

LED1: 5mm LED, z.B. grün

US1:MC34063A(DIP8)

Sonstiges:

J1, J2: ARK2/5-mm-Stecker

L1, L2: Drossel 220 uH (vertikal)

S1: Mikroschalter 6×6/13mm