Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Solarmodul - Schaltung dimensionieren


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von Stephan K. (stephan_k700)


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Für ein kleines eigens Projekt möchte ich eine Fukuhr mit 1,5V 
Betriebsspannung und 0,3mA mittlerer Stromstärke durch ein Solarmodul 
betreiben.

Ein paar überlegungen zu meiner Schaltung habe ich bereits gemacht 
(siehe Anhang).

Ein Problem dabei ist der 50F Superkondensator, der sich bei Raumlicht 
nur auf 0,6V auflädt anstelle von den angegebenen 2,3V. Wie ist das zu 
erklären? Sollte ich eine weiteres Solarmodul mit 6V parallelschalten, 
da die Leistung eines einzelnen nicht ausreicht? Oder verbraten die 
Dioden zuviel Leistung? Gibt es noch eine andere Möglichkeit die Uhr vor 
Spannungsspitzen zu Schützen, anstatt der Dioden?

Über eine Erkärung des Spannungs- und Stromverhaltens würde ich mich 
ebenfalls freuen.

: Verschoben durch Admin
von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Dein Kondensator stellt für die Solar-Zelle einen Kurzschluss dar.

Wir brauchen hier eine Schaltung, Die Deinen Kondensator (langsam) 
auflädt und entlädt, wenn die Sonne weg ist.
1
                   
2
           PV --|>-+--------+
3
                   |        |
4
                R  #        ^ D
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                   #        -
6
                   #        |
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                   |        |
8
                   +--------+
9
                   |
10
                 +++++
11
              C  -----
12
                   |
Wobei hier die abgebbare Spannung um die Vorwärtsspannung der Diode 
verringert ist.
Vll. kann man da einen FET als Diode/Verpolschutz ... wobei max 2,3V 
wird für jeden FET zu wenig sein.

MfG

von Wolfgang (Gast)


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Stephan K. schrieb:
> Wie ist das zu erklären?

Guck dir mal die Ausgangskennlinie einer Solarzelle, also die 
Abhängigkeit der Ausgangsspannung von dem Strom bei konstanter 
Bestrahlungsstärke an.

von Sven B. (scummos)


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Das funktioniert so nicht, Solarzellen liefern nur 0.6V oder so. Wenn du 
einen Kondensator damit auf 2.3V aufladen willst (was eh schon wenig 
klingt) brauchst du einen DC-Booster.

von THOR (Gast)


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Sven B. schrieb:
> Das funktioniert so nicht, Solarzellen liefern nur 0.6V oder so.
> Wenn du
> einen Kondensator damit auf 2.3V aufladen willst (was eh schon wenig
> klingt) brauchst du einen DC-Booster.

Er hat ein Modul, keine Zelle.

Wolfgang schrieb:
> Stephan K. schrieb:
>> Wie ist das zu erklären?
>
> Guck dir mal die Ausgangskennlinie einer Solarzelle, also die
> Abhängigkeit der Ausgangsspannung von dem Strom bei konstanter
> Bestrahlungsstärke an.

Das sagt dem TE gar nichts. Deiner Erklärung fehlt die Angabe des 
Betriebspunkts in dem Kennlinienfeld UND die Erläuterung, warum sich 
dieser Betriebspunkt einstellt.

Stephan K. schrieb:
> Über eine Erkärung des Spannungs- und Stromverhaltens würde ich mich
> ebenfalls freuen.

Stichwort MPPT bzw. allgemeiner: Leistungsanpassung.

von Richard B. (r71)


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THOR schrieb:
> Stichwort MPPT...

für das hier? ->

Stephan K. schrieb:
> möchte ich eine Fukuhr mit 1,5V
> Betriebsspannung und 0,3mA

von THOR (Gast)


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Richard B. schrieb:
> THOR schrieb:
>> Stichwort MPPT...
>
> für das hier? ->
>
> Stephan K. schrieb:
>> möchte ich eine Fukuhr mit 1,5V
>> Betriebsspannung und 0,3mA

Was ohne Leistungsanpassung passiert kannst du ja dem Eingangspost 
entnehmen.

von Jobst Q. (joquis)


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Dioden in Durchlassrichtung haben keine Kennlinie wie ideale 
Zenerdioden. Die Spannung ist abhängig vom Strom und du brauchst schon 
ein bischen mehr Strom um 0,6 bzw 0,7 V zu erreichen. Versuchs mal mit 3 
oder gar 4 Dioden in Serie. Wetten dass du dann mehr Spannung am 
Kondensator bekommst?

von Mani W. (e-doc)


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Sven B. schrieb:
> Das funktioniert so nicht, Solarzellen liefern nur 0.6V oder so.

Oder so?

Eine einzelne Si-Zelle liefert tatsächlich nur ca. 0,6 Volt und
darum sind viele davon auch in Reihe geschaltet...

von Mani W. (e-doc)


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von Jobst Q. (joquis)


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Patrick J. schrieb:
> Dein Kondensator stellt für die Solar-Zelle einen Kurzschluss dar.
>


Eine Solarzelle bzw ein Solarmodul ist keine Spannungsquelle, sondern 
eine Stromquelle. Der macht ein "Kurzschluss" nichts aus, der Strom lädt 
den Kondensator trotzdem auf. Dass die Spannung nicht weiter steigt, 
liegt an den Dioden, die bei höherer Spannung den bei schlechtem Licht 
geringen Ladestrom umleiten.

> Wir brauchen hier eine Schaltung, Die Deinen Kondensator (langsam)
> auflädt und entlädt, wenn die Sonne weg ist.

Warum soll die Schaltung den Kondensator entladen? Das bleibt der 
Funkuhr überlassen. Und der Kondensator mit seinen 50 Farädern ist eh 
langsam genug im Laden, das Solarmodul hat genug Innenwiderstand, da 
braucht es keinen Zusatzwiderstand um Leistung zu verschenken.

von Mani W. (e-doc)


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Besser ohne Diode mit dem Dunkelstrom des Moduls leben,
als mit der Diode im Dunkeln stehen...

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Jobst Q. schrieb:
> Warum soll die Schaltung den Kondensator entladen?

Soll Sie nicht.
Durch die Diode soll verhindert werden, daß der Kondensator die 
Solarzelle versorgt.
Durch den Widerstand vor dem Kondensator soll erreicht werden, daß 
besagter Solar-Strom auch schon während des Ladevorgang für die Funkuhr 
eine ausreichend hohe Spannung zur Verfügung stellt und nicht erst in 23 
Jahren, wenn das Modul es geschafft hat, den Kondensator voll zu 
bekommen - wer weiß schon, ob's dann noch ein passendes Funksignal gibt 
;)

Also vll. besser Gedanken machen, wie wir aus der Solar-Zelle soviel 
Spannung erhalten, daß der Kondensator auch irgendwann 2,3V (oder knapp 
drunter) sieht und trotzdem für die Funkuhr nur 1,5V zur Verfügung 
stellt.
Dabei soll das Ganze auch schon eine Zeit anzeigen, wenn die Schaltung 
frisch in die Sonne gestellt wird, der Kondensator also noch ungeladen 
ist.
Alles, was die Funkuhr nicht braucht, soll ja im Kondensator landen, 
aber eben nicht mehr.
Wenn nun die Sonne weg ist, soll der Kondensator die Stromversorgung 
aufrecht halten.

Aber Das habt Ihr ja bereits im Kopf durchgekaut - da keine Lösungen 
kommen, müsste Das für den Stephan wohl heißen, daß Er auf dem Holzweg 
ist.

Bei der Menge gestandener Elektroniker hier MUSS Es Das heißen.

MfG

: Bearbeitet durch User
von Sven B. (scummos)


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Patrick J. schrieb:
> Aber Das habt Ihr ja bereits im Kopf durchgekaut - da keine Lösungen
> kommen, müsste Das für den Stephan wohl heißen, daß Er auf dem Holzweg
> ist.

Was willst du jetzt damit sagen -- "ihr seid alle zu blöd um das Problem 
zu lösen"? Dein Meta-Post ohne Inhalt ist auch nicht gerade hilfreich.

--

Ah, habe übersehen dass es sich um ein Modul handelt ...
Um das Problem zu lösen warum sich der Kondensator nicht weiter auflädt, 
würde ich mal z.B. die Leerlaufspannung bei Zimmerlicht messen, den 
Kurzschlussstrom, und den Ruhestrom aller beteiligten Komponenten (was 
fließt durch den Kondensator, was durch die Dioden, was durch die Uhr?) 
... vielleicht fällt dabei was auf.

Die Solarzelle im Kurzschluss zu betreiben ist auch nicht gerade 
optimal, weil dann viel weniger Energie rauskommt als im maximum power 
point (der bei etwa 0.5 V pro Zelle liegt).

Es gibt für solche Aufgaben Akkuladeregler-Bausteine, die den Ladestand 
überwachen und abschalten, wenn der Speicher zu voll oder zu leer wird, 
zum Beispiel den ADP5090 (der hat sogar noch einen Booster mit MPPT mit 
drin).

von Werner H. (werner45)


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Mein Taschenrechner läuft auch mit Solarzellen, und der hat definitiv 
keinen Laderegler mit Booster.
Der Taschenrechner braucht auch mehr Strom als eine Uhr.

Gruß   -   Werner

von Wolfgang (Gast)


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THOR schrieb:
> Das sagt dem TE gar nichts. Deiner Erklärung fehlt die Angabe des
> Betriebspunkts in dem Kennlinienfeld UND die Erläuterung, warum sich
> dieser Betriebspunkt einstellt.

Soetwas kann man in Wikipedia nachlesen. Aber ok, hier der Link:
https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking

von chris (Gast)


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Schau dir mal den leckstrom vom superkondensator an!Das können 10-100uA 
sein!Was liefern denn die Solarzelle bei Zimmerlicht?

Grüß Chris

von Sven B. (scummos)


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Werner H. schrieb:
> Mein Taschenrechner läuft auch mit Solarzellen, und der hat definitiv
> keinen Laderegler mit Booster.
> Der Taschenrechner braucht auch mehr Strom als eine Uhr.

Der Taschenrechner lädt auch seine Knopfzelle nicht auf sondern stützt 
die nur durch das Solarmodul. Aufladen ist halt schwerer.

von Stephan K. (stephan_k700)


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Hier die U/I-Kennlinie von dem Solarmodul. Ich weiß aber ehrlich gesagt 
nicht was mir der MPP nun bringt, kann mir jemand eine Schaltung 
skizzieren mit der ich den MPP umsetzen kann? Mir ist es am liebsten 
wenn ich keine Halbleiterbauelemente verwenden muss.

Die Leerlaufspannug des Solarmoduls bei Zimmertemperatur und 
-beleuchtung beträgt etwa 4,1V den Kurzschlussstrom, und den Ruhestrom 
aller beteiligten Komponenten kann ich morgen noch hier reinstellen.

Ist es nun ein Problem das Solarmodul im Kurzschluss zu betreiben oder 
nicht? Es gab beide Aussagen bei den Antworten.

von Sven B. (scummos)


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Hm, 6 V? Wo sind da 6 V? Ich sehe 1.2 V oder sowas, das sieht aus wie 2 
Zellen in Reihe, nicht 10.

Was dir der MPP bringt siehst du ja an der P-Kurve: du kriegst halt 
einfach am meisten Leistung raus, wenn die Last ungefähr so ist, dass 
die Spannung über der Zelle 1.2 V ist. Ein Problem in dem Sinne ist es 
nicht wenn du es anders machst, es ist halt nur nicht ideal.

> Leerlaufspannug des Solarmoduls bei Zimmertemperatur und
> -beleuchtung beträgt etwa 4,1V

Das sieht aber in dem Diagramm ganz anders aus. Wie ist es denn nun?

von batman (Gast)


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Von Kurzschluß würde ich mit solchen Kondensatoren und Zellen nicht 
wirklich reden. Da sind riesige Widerstände drin und der MPP stellt sich 
schon ungefähr von selbst ein, wenn Betriebs- und Modulspannungen 
zusammenpassen. Miß doch mal den Ladestrom, vielleicht biste einfach nur 
zu ungeduldig. :)

Btw. sind die Dioden nicht falschrum?

von Jobst Q. (joquis)


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Von nichts kommt nichts, auch nicht mit MPP-Tracker. So etwas ist 
interessant für große Leistungen (etwa ab 50W), aber nichts für Ströme 
im µA-Bereich. Es ist eine komplizierte Schaltung mit Wandler, der ja 
auch seinen Eigenverbrauch hat.

Entweder deine Solaruhr bekommt einen schönen Fensterplatz, oder du 
kannst das Projekt gleich vergessen. Was soll Raumbeleuchtung heißen? 
Willst du immer eine Lampe brennen lassen, damit die Solaruhr 
funktioniert?

Ein Solarmodul ist eine Stromquelle, deren Strom von der Einstrahlung 
bestimmt wird. Sie hat einen hohen differentiellen Widerstand, die 
Spannung wird immer von der Last (Kondensator, Uhr, sonstige Schaltung) 
bestimmt. Einen Kurzschluss kann man das nur nennen, solange der 
Kondensator leer ist. Da Strom fließt, steigt die Spannung am 
Kondensator aber auch in diesem Fall.

von Sven B. (scummos)


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Jobst Q. schrieb:
> Von nichts kommt nichts, auch nicht mit MPP-Tracker. So etwas ist
> interessant für große Leistungen (etwa ab 50W), aber nichts für Ströme
> im µA-Bereich. Es ist eine komplizierte Schaltung mit Wandler, der ja
> auch seinen Eigenverbrauch hat.
Das stimmt einfach nicht. MPP-Tracking ist immer relevant, egal wie groß 
die Leistung ist. Der ADP5090 zum Beispiel hat einen Ruhestrom von 300 
nA-ish, und es ist zum Beispiel für einen thermoelektrischen Generator 
mit einigen 100 µA Strom auf jeden Fall sinnvoll, so einen Baustein 
einzusetzen.

> Entweder deine Solaruhr bekommt einen schönen Fensterplatz, oder du
> kannst das Projekt gleich vergessen.
Auch das sehe ich anders. 300 µA bei 1.5 V ist nicht viel Energie. Ein 
paar Minuten Licht am Tag können da schon reichen, wenn man es richtig 
aufbaut.


> Einen Kurzschluss kann man das nur nennen, solange der
> Kondensator leer ist. Da Strom fließt, steigt die Spannung am
> Kondensator aber auch in diesem Fall.
Das stimmt allerdings, ja.

von batman (Gast)


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Sven B. schrieb:
> MPP-Tracking ist immer relevant,

Geschickt formuliert. Die Frage wäre, ob es bei nahezu konstanter 
Betriebsspannung und -Leistung in dem einen Sinn macht. Der Ruhestrom 
des Trackers ist hier auch nur ein kleiner Teil der Betriebsverluste, 
die man ohne gar nicht hat.

von THOR (Gast)


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Jobst Q. schrieb:
> Es ist eine komplizierte Schaltung mit Wandler, der ja
> auch seinen Eigenverbrauch hat.

Man kann Leistungsanpassung auch ohne Schaltwandler herstellen.

von Robel (Gast)


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THOR schrieb:
> Jobst Q. schrieb:
>> Es ist eine komplizierte Schaltung mit Wandler, der ja
>> auch seinen Eigenverbrauch hat.
>
> Man kann Leistungsanpassung auch ohne Schaltwandler herstellen.

Poste bitte eine MPP-Tracking Schaltung für die Konstellation aus dem 
Eingangsbeitrag.

von Jobst Q. (joquis)


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THOR schrieb:
> Jobst Q. schrieb:
>> Es ist eine komplizierte Schaltung mit Wandler, der ja
>> auch seinen Eigenverbrauch hat.
>
> Man kann Leistungsanpassung auch ohne Schaltwandler herstellen.

Ja, durch richtige Dimensionisierung. Das 6V-Modul ist bei einem 
Verbraucher mit 1,5V klar überdimensioniert. Ein 4er-Modul mit 2,4V 
Leerlaufspannung würde völlig reichen. Aber wenn das 6V-Modul vorhanden 
ist und ein passenderes nicht, würde ich die Leistungsverluste bei einem 
Einzelgerät in Kauf nehmen.

Der MPP liegt bei etwa 83% der Leerlaufspannung und das fast unabhängig 
von der Einstrahlung (siehe Diagramm). Also kann man sich bei richtiger 
Dimensionisierung den Tracker sparen, wenn es nicht auf jede Promille 
Leistung ankommt.

: Bearbeitet durch User
von Sven B. (scummos)


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batman schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> MPP-Tracking ist immer relevant,
>
> Geschickt formuliert. Die Frage wäre, ob es bei nahezu konstanter
> Betriebsspannung und -Leistung in dem einen Sinn macht. Der Ruhestrom
> des Trackers ist hier auch nur ein kleiner Teil der Betriebsverluste,
> die man ohne gar nicht hat.

Wenn du es schaffst ungefähr in der Gegend des MPP zu landen ohne 
Tracker / Schaltwandler ist das natürlich auch prima, keine Frage ;)
Nur gar nicht drüber nachdenken ist halt oft suboptimal.

von Versteher (Gast)


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Kann mir einer erklären wie die Entladung des C rückwärts in die 
Solarzelle verhindert wird?

Wenn man es richtig machen will, nimmt man sowas
http://www.linear.com/product/LTC3105

von batman (Gast)


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Den Reversstrom durch die Zellen würde ich hier unter den Ruhestrom des 
Ladereglers schätzen.

von Sven B. (scummos)


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batman schrieb:
> Den Reversstrom durch die Zellen würde ich hier unter den Ruhestrom des
> Ladereglers schätzen.

Ich auch, das kannst du vergessen.

von Versteher (Gast)


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Habt Ihr schon jemals was mit Solarzellen gemacht?

Der LTC3105 zieht übrigens im schlechtesten Fall 40yA. Klar, für einen 
Kondensator is das auch noch viel. Aber sowas macht man eh mit einem 
Akku.

von Mani W. (e-doc)


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batman schrieb:
> Den Reversstrom durch die Zellen würde ich hier unter den Ruhestrom des
> Ladereglers schätzen.

Eben!

Mani W. schrieb:
> Besser ohne Diode mit dem Dunkelstrom des Moduls leben,
> als mit der Diode im Dunkeln stehen...

Ist schon eine Weile her...

von Waldemar Z. (waldemar_z)


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Ich verstehe nicht, was die Dioden so bringen sollen, denn sie sperren 
und sind so völlig überflüssig...

von Jobst Q. (joquis)


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Die sind einfach nur falsch herum eingezeichnet.

Stephan K. schrieb:
> Oder verbraten die
> Dioden zuviel Leistung? Gibt es noch eine andere Möglichkeit die Uhr vor
> Spannungsspitzen zu Schützen, anstatt der Dioden?

Sie sollen die Spannung begrenzen. Das tun sie wohl auch, aber zu stark. 
Es müssten mindestens drei sein, bei den niedrigen Strömen.

Besser wäre vielleicht noch ein TLV431, die 1,25V Version des TL431.

von Waldemar Z. (waldemar_z)


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> Die sind einfach nur falsch herum eingezeichnet.

Und welchen Sinn macht dann der Kondensator, welcher durch die Dioden 
"kurzgeschlossen" ist?

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