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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Überladeschutz für Windräder


Autor: Michael (Gast)
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Hallo mein Name ist Michael und ich bin 15 Jahre alt.
Da mein Pappa bald Geburtstag hat wollte ich ihm was elektronisches 
basteln:

Undzwar: er hat ein großes Windrad selber gebaut und rennt jeden Tag hin 
und misst die Spannung seiner 12V Batterien.

Es ist mir zwar schon fast peinlich das hier zu veröffentlichen aber ich 
habe ja das Recht auf Bildung^^

Im Anhang meine Idee, ich wollte eine Ref. Spannung an einem OP AMP 
einstellen, der mir bei Überschreitung die Verbindung zur Batterie 
kappt.

Kann das Funktionieren?

Danke für eure Antworten.

mfg
Michael

Autor: Peter R. (pnu)
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Ja, aber .... als Vorschlag folgendes Schaltbild.

Als Referenzspannung muss die Spannung am -Eingang auf zehntel mV genau 
sein.
Sonst wird der Akku schnell über- bzw. unterladen. Solch eine genaue 
Referenzspannung bekommt man z.B. mit einem IC LM341. R6/R7 bestimmen 
dabei die Höhe der Referenzspannung. (Vorschlag: die Hälfte von UBatt) 
R6 oder R7 sollte ein Trimmer sein, zum genauen Einstellen des Sollwerts 
der Spannung.

R2/R3 teilt den Istwert auf einen dem Sollwert vergeleichbaren Wert 
herunter (z.B. 1/2 UBatt ). Das herunterteilen von UBatt ist notwendig, 
damit der Komparator richtig arbeitet.

Die Komparatorschaltung sollte eine Hysterese haben, dh. einen 
Unterschied zwischen Ein- und Ausschaltpunkt. Dafür sorgt R4, er sollte 
etwa das hundertfache von R2 oder R3 haben.

Das Relais sollte man nicht direkt aus einem OpAmp betreiben, ein 
Treibertransistor sollte dazwischen liegen.

Das Relais sollte eine Schutzdiode für das Abschalten haben.

Das Relais sollte bei Überspannung anziehen (wegen des Stromverbrauchs) 
und bei Unterspannung den Generator zuschalten dadurch dass es stromlos 
ist.

Parallel zu R3 sollte noch ein Elko mit großem C (ein paar tausend uF) 
liegen, damit die Schalterei nicht zu schnell abläuft (Flattern des 
Relais).

Autor: Peter R. (pnu)
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Hoppla, ich krieg einen Fehler nicht anders aus dem Schaltbild heraus:
Pin 3 (-Eingang) muss an die Referenzspannung angelegt werden.

Autor: MaWin (Gast)
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> Kann das Funktionieren?

Nein, wird der Akku abgeklemmt, läuft das Windrad frei. Das mögen die 
nicht.

Richtige Windräder drehen sich aus dem Wind bzw.
verstellen die Blätter damit sie sich nicht mehr drehen, wenn man ihre 
Energie nicht braucht.

Wenn dein Windrad nur eine bestimmte maximale Leistung liefert (z.B. 
1kW) kannst du diese auch verheizen wenn der Akku voll ist.

Deine Schaltung ist im Prinzip richtig, doch die 18V müssen genau sein, 
und wenn es knapp an der Grenze ist, schaltet das Relais immer ein und 
aus.

Du brauchst eine Referenzspannung und eine Hysterese.

Beides liefert der ICL7665, schau mal in sein Datenblatt, das du 
findest, wenn du seine Nummer in Google eingibst.

Wenn ihr viel vom Schrott holt, in einem Lichtmaschinenregler vom Auto 
ist auch eine Schaltung drin, die man zweckentfremden kann.

Autor: Tiesto (Gast)
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also der optimale Laderegler für ein Windrad besteht eigentlich ganz 
einfach aus einer Schottkydiode in Reihe zum Akku, und einer 
leistungsfähigen Zenerdiode parallel zum Akku, diese natürlich diskret 
aufgebaut. Simpler geht es eigentlich nicht, der Akku ist dabei 
geschützt, und das Windrad hat allzeit (fast) die gleiche Drehzahl, ob 
bei schwachem, oder starkem Wind...
Also abgeklemmt bzw. abgeschaltet wird der Generator nie. Eher wird der 
Akku bei drohender Überspannung künstlich belastet, um die Spannung auf 
dem gewünschten Niveau zu halten...
Schaltungen zu diskret aufgebauten Z-Dioden gibt es viele, und es ist 
ziemlich einfach. Nur der Leistungstransistor sollte stark genug 
(gekühlt) sein (z.B. ein IGBT-Modul, die erlauben tausende Watt 
Verlustleistung). Man kann natürlich auch was Schaltendes mit einem 
Lastwiderstand aufbauen, aber das ist Geschmacksache...

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Meine Mini-Windräder haben einen Tiny13 dran, der bei Erreichen der 
Ladeschlußspannung eine Glühlampe per PWM zuschaltet und so das Windrad 
belastet, während die Akkuspannung konstant bleibt.

Autor: Michael (Gast)
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Danke für eure vielen Antworten.

Ich habe mal die Schaltung von Peter R. geklaut und abgeändert.

So müsste ich doch einen Verbraucher für überschüssige Energie 
anshcließen können,oder?

(Das Schaltbild zeigt den Fall: Spannung zu hoch)

Autor: Peter R. (pnu)
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Den Zeichenfehler hast Du leider prompt übernommen: es fehlt die 
Verbindung Pin3 zur Referenzspannung.

Auch stimmen die Bedingungen nicht ganz, bei denen der Verbraucher 
eingeschaltet wird.

-Bei Überspannung am Akku wird der Verbraucher an den Generator 
geschaltet, und der Akku nicht mehr geladen, soweit richtig.

-Bei normaler Spannung am Akku wird der Akku geladen, aber die Last ist 
abgeschaltet. Ist das erwünscht?

Es fehlt noch eine zweite Schaltung (mit Komparator und Relais):

Bei Unterspannung am Akku muss die Last vom Akku getrennt werden, sonst 
kann die Tiefentladung den Akku beschädigen.

Dazu kommt u.U. eine dritte Bedingung : wenn der Generator weniger 
Spannung liefert als der Akku, darf kein Strom  vom Akku in den 
Generator fließen.
Bei einem Drehstromgenerator mit Gleichrichter passiert das nicht, wenn 
aber ein DC-Motor als Generator benutzt wird, würde aus dem Windrad ein 
Lüfter werden.

Autor: Michael (Gast)
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Das mit dem Verbraucher ist schon Richtig, das ist dann nur eine Art 
"Verbrater" der die überschüssige Energie verbläst (wenn Akku voll), 
oder an den evtl. ein 2. Akku angeschlossen wird.

Das mit dem Zeichenfehler ist mir klar, Pin3 muss noch zwischen R6 und 
R7.

Wegen dem dritten Fall hat mein Papa schon was gebastelt, da sich bei 
Windstille das Teil wirklich selbst Wind gemacht hat, hehe.

Soweit ist mir alles klar, doch was ist dieses VR2?
Ich hätte das weggelassen und R7 und R5 zusammengeführt?


mfg
michael

Autor: HildeK (Gast)
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>Das mit dem Zeichenfehler ist mir klar, Pin3 muss noch zwischen R6 und
>R7.
Ich meine, er muss zwischen R5 und R7!

Du kannst natürlich R7 durch einen Draht ersetzen und R6 weglassen, dann 
aber ist die Referenzspannung eben die 1.25V oder 2.5V, je nach Typ der 
VR. Eine Anpassung von R2, R3 und R4 wäre dann notwendig.
Durch die geringere Referenzspannung wird allerdings die Empfindlichkeit 
der Spannungsüberwachung geringer, denn du musst ja mit R2 und R3 die 
UBatt weiter herunterteilen und in gleichem Maß werden auch deren 
Änderungen geringer.
Da Widerstände (fast) nichts kosten, würde ich sie drin lassen.

Autor: Michael (Gast)
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Ah ok, ich verstehe nur nicht was das für eine Diode ist, Schottky ist 
klar, aber was ist das für eine Verbindung (R)?

Autor: Peter R. (pnu)
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VR2 ist ein Spannungsregler-IC, das mit R6 und R7 auf eine genaue 
Spannung einstellbar ist und diese dann recht genau einhält (TL431).

Komparatoren arbeiten in einem eingegrenzten Spannungsbereich, der 
Abstand zur kleinsten und zur größten Versorgungsspannung haben muss.
Wenn mit 0V und +12,6 V versorgt wird, sollte die Spannung an den 
Eingängen größer als etwa 2,0V und kleiner als 10,6V sein( genauer Wert 
siehe Datenblatt des Komparators). Sonst arbeitet der Komparator u.U 
nicht richtig.

5V , also mit R6 = R7 ist insoweit optimal, dass damit nicht zu weit 
heruntergeteilt wird, und damit leichter genau eingestellt werden kann. 
Auch der Offsetfehler des Komparators wirkt sich bei hoher Spannung 
weniger aus.

R5 muss den Arbeitsstrom durch den TL431 bestimmen, der sollte 0,2....1 
mA sein, 10 kOhm sind für R5 wohl ganz gut. R7,R6 sollte etwa je 47 kOhm 
betragen.

Anstelle des VR2 eine Z-Diode zu verwenden ist zwar auch eine 
Möglichkeit, da würden sogar R6 und R7 entfallen, aber bei Z-Dioden ist 
die Temperaturabhängigkeit und Spannungskonstanz deutlich schlechter als 
bei einem TL431.

Autor: Knut (Gast)
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Du wirst sehen das du um eine PWM nicht herum kommst.

Macht sich halt doof wenn das Windrad bei voll geladener Batterie
immer steht weil der Lastwiderstand ja so ausgelegt sein sollte, das er 
mindestens die Generatorleistung vertragen kann also sehr niederohmig 
ist.

Nimm dir einen TL072,  bau dir Sägezahn damit und Vergleiche die 
Batteriespannung und den Sägezahn über einen Komparator miteinander und 
fertig ist die PWM und damit auch der Überladeschutz.


Gruß Knut

Autor: MaWin (Gast)
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Braucht er nicht, das steigen und sinken der Akkuspannung ergibt so ein 
PWM von alleine.

Autor: Tiesto (Gast)
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Hallo Michael,

lass Dir bitte nichts aufschwatzen oder erzählen! Du brauchst lediglich 
die Schottkydiode in Reihe zum Akku, damit der Generator bei Windstille 
nicht als Motor arbeitet (normal)...und dann noch die Z-Diode direkt 
überm Akku.
Das ist das beste und sicherste Verfahren, alles Andere ist Bastelei für 
laaange Abende, und praktisch alles unzuverlässiger, teilweise 
gefährlich.
Diese Power-Z-Diode besteht im einfachsten Fall nur aus einer echten 
Z-Diode mit nachgeschaltetem Bipolartransistor. Solcher Schaltungen gibt 
es haufenweise im Netz, möchte Dir nur jetzt keine Spezielle empfehlen, 
sondern die solltest Du selbst je nach Generatorleistung bzw. 
technischer Machbarkeit auswählen. Falls Du Dich ein wenig mit 
Operationsverstärkern auskennen solltest, nimm einen solchen, und regle 
damit ein dickes IGBT-Modul nebst kräftigem Kühlkörper. Du brauchst in 
dem Fall nicht mal ne +- Spannung, kannst praktisch jeden OP hernehmen.
Das mit dem geschalteten Lastwiderstand ist das normale Prinzip. Hierbei 
musst Du aber erstmal einen geeigneten Widerstand finden, der darf 
nämlich weder zu klein, noch zu groß sein (im Hinblick auf den 
Widerstandswert). Und falls Du zum Schalten ein Relais nimmst, solltest 
Du gleich einige als Ersatz kaufen (und einen Austauschzyklus einhalten, 
denn einen Defekt sollte es hier besser nie geben)... Also das Prinzip 
ist eher was für grobe Hände, aber das funktioniert wenigstens noch 
(macht dann Tag und Nacht halt immer "Klick-Klack"...so wie in den 50er 
Jahren...;-)
Aber auch wenns hier anders empfohlen wird, trenne bitte auf keinen Fall 
und niemals (außer bei Windstille) den Generator vom Akku!! Kein Relais, 
Schalter o.ä. zwischenschalten, lediglich die Schottkydiode!
So, also ich hab´ jetzt zweimal gesagt wie es geht (und üblich ist). 
Möchte mich jetzt auch nicht mit den anderen Versionsverfechtern 
rumschlagen, werde daher vermutlich nicht mehr hier reinschauen. Es ist 
auch zu einfach, als das man dazu noch mehr schreiben sollte. Wünsche 
Dir viel Erfolg, und natürlich allen einen guten Rutsch!

Autor: MaWin (Gast)
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> und dann noch die Z-Diode direkt überm Akku.
> Das ist das beste und sicherste Verfahren,

Michael, lasst dir von Tiesto nichts erzählen,
es gibt keine Z-Dioden die herstellungstechnisch genau genug sind,
um dafür zu taugen, selbst wenn man sie per OpAmp und Transistor
verstärkt und damit zumindest leistungsfähig genug macht.

Autor: Knut (Gast)
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Wie gesagt...

PWM Überladeschutz... Meine Firma verkauft die Dinger zu dutzenden... 
sehr erfolgreich!

Autor: Michael (Gast)
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Da hab ich ja was losgetreten...

Ich werde mal die Schaltung probieren, die hier schon als Plan verfügbar 
ist.

Man könnte sogar darüber nachdenken, noch eine zweite Schaltung hinten 
dran zu hängen:

Erster Akku voll => zweiter wird geladen.
Zweiter Akku voll => Überschüssige Energie wird verbraten 
(Hochlastwiderstand)

Das sollte Funktionieren^^

Ich bin einfach mal objektiv und probiere alles mal aus, hehe.

µC wäre ja auch ne Idee, aber da fehlt es mir an Erfahrung... ich hab 
aber hier USB Progger und ATMega8 liegen^^

(A/D Wandler -> Vergleichen mit Referenzwert -> Entscheiden ob Laden 
oder nicht, ist klar aber wie ich das genau mache... puh)


mfg
vincent

Autor: Tiesto (Gast)
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...die Z-Diode als 12 oder 13V ausgeführt, der Widerstand vielleicht 100 
Ohm. Der Transistor könnte bei etwas stärkerer Z-Diode auch einstufig 
sein, also kein darlington. Bei darlington kommen zur Zenerspannung noch 
ca. 1,3V hinzu, einstufig vielleicht 700mV. Daher auch nur 12 oder 13v 
Zenerspannung...eine gewisse Feinabstimmung der Spannung kannst Du auch 
noch mit dem Widerstand vornehmen.
Die Zenerspannung ändert sich bei allen normalen Betriebsbedingungen 
vielleicht um 50mV, was so dermaßen egal bei einem Akku ist...
Natürlich ist das die allereinfachste Schaltung, die aber 100 Jahre 
hält!
Mit OPs und integrierten Spannungsreferenzen wäre die Spannungssteilheit 
auch ganz perfekt und hochgenau hinzubekommen, aber ich gehe davon aus, 
daß es sehr einfach sein soll. Zumindest ist dies alles deutlichst 
besser als das was Dir hier empfohlen wird. Aber siehe selbst...
In Deinem Alter erkennt man leider noch nicht, wer wirklich kompetent 
ist (und vor allem, wer nicht!), daher sage ich Dir ausnahmsweise, daß 
ich seit Jahren elektronische Schaltungen entwickele, und ausschließlich 
damit meine Brötchen verdiene. Sehr viele "Fachleute" bzw. 
"Spezialisten" zahlen mir gutes Geld, um sehr viel kompliziertere 
Schaltungen entwerfen zu lassen! Dieses Vorhaben hier ist so ziemlich 
das Einfachste, was man sich nur vostellen kann, daher sollten wir hier 
langsam auch mal zum Ende kommen...würde Dir ggf. aber auch nochmal 
dieses Schaltprinzip, nur mit hochgenauer Regelung skizzieren. Sind 
vielleicht 5-10 Bauteile mehr...

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