Dieser Tracker ist als Weiterentwicklung des Patenttrackers entstanden. Er kommt mit etwas weniger Bauteilen aus und bietet trotzdem sogar noch etwas bessere Features. Insbesondere zeigte sich, daß auf die Stromquelle für den Temperatursensor verzichtet werden konnte, weil eine Standarddiode als Temperatursensor für diese Zwecke sogar noch etwas zu gut arbeitet. Aus dem gleichen Grunde wurde ein Trimmpoti vorgesehen, um den Regelhub im Bedarfsfalle etwas dämpfen zu können. Es zeigte sich in der Praxis, daß im Zweifel ein geringerer Regelhub die Schaltung günstiger arbeiten läßt, den Arbeitspunkt bei warmen Temperaturen also an die obere Modulkennlinien-"Ecke" zu legen und bei kalten an die Untere.
Auf Treibertransistoren für den FET wurde verzichtet, weil bei genügend großen Ringkernen sich Taktfrequenzen einstellen, bei denen die Ausgangsströme eines CMOS-ICs ausreichen, um sehr weitgehend verlustfreies Schalten zu ermöglichen.
Entsprechend dem beschriebenen Schalreglerparadox, wurde ein der eingangsseitige Block-Elko kapazitätsmäßig stark verkleinert. Die deutlich geringeren Blindströme führen zu einigen zig Miliampere mehr Nutzleistung bei deutlich geringeren thermischen Bauteilbelastungen. Statt Elko-Spezialtypen für Schaltnetzteile können so einfach spannungsmäßig überdimensionierte Normaltypen eingesetzt werden, wenn kleinere Nennleistungen ausreichen.
Lastseitig ist bei dieser Schaltung die Überspannungs- und Unterspannungsdetektion mit normalen Transistoren ausgeführt, die via Optokoppler die Schaltung gegebenenfalls sperrt oder durchschaltet. Gegenüber IC-Lösungen kann mit der Ausgangsspannung deshalb auch weiter heruntergegangen werden, sodaß Stromverdopplungen von deutlich über 100% ! leicht möglich werden. Auch 6V Akkus können so mit 12V nom. Solarmodulen geladen werden.
Die LED-Ansteuerungen sind nicht als Spannungsanzeigen ausgelegt, sondern als Zustandsanzeigen der Schaltung. Die grüne LED bezieht Ihre Leuchtenergie direkt aus dem zusammenbrechenden Feld der Speicherdrossel ("True Tracking") und zeigt unmittelbar das Arbeiten des MPTs an. Die gelbe LED zeigt die lastseitige Spannungsaufnahmebereitschaft speziell das Anliegen eines Akkus an. Insbesondere muß der in Reihe liegende Optokoppler den Sperrtransistor T2 dichtziehen, damit der Tracker arbeiten kann. Die rote LED am
12 V STEP-DOWN TRACKER
Kollektor des PNP - Transistors leuchtet bei lastseitiger Überspannung und sperrt aufgrund gesperrtem Optokoppler via T2 den MPT.
Die zweite rote LED leuchtet bei zunehmenden Spannungsunterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zunehmend heller und ist indirekt damit ein Unterspannungsindikator.
In dieser Schaltung kann durch Jumper oder bei Bedarf durch Schalter unterschiedliche Betriebsmodi eingestellt werden: Mit S1(ON/OFF) kann mit üblichen Schwachstrom-Kippschaltern die Schaltung deaktiviert werden. Logisch "1" am Mittelpin des Schalters ist "Aus = OFF"! Die LEDs behalten dabei teilweise d.h. lastseitig Ihre Anzeigefähigkeit. Das ist praktisch, weil so keine Hochstromschalter mit entsprechender Verkabelung im Leistungsnetz erforderlich sind. Mit S2 ("High Duty") kann der Kurzschlußschutz deaktiviert werden, indem der Optokoppler via T3 seine Masse nicht lastseitig, sondern eingangsseitig erhält. Völlig entladene Batterien mit null oder nur wenigen Volt Spannung würden ansonsten als Kurzschluß erkannt und der Tracker gesperrt, weil der Optokoppler dann keine Spannung erhielte. Insbesondere bei Verwendung des MPTs für solar direkt betriebene Motoren muß der Emitterwiderstand von T3 auf Solar-Minus gejumpert werden, weil der Tracker sonst nicht starten könnte. Bei Einsatz des MPTs für reine Ladezwecke reicht auch ein Taster, damit evtl. absolut entladene Akkus wieder "angefahren" werden können.
S3 ("Overload") gestattet den "Mißbrauch" der Überspannungsdetektion nicht zum Abschalten, sondern zum Durchschalten der solaren Eingangsspannung auf die Last zu verwenden. Im Akkuladebetrieb läßt sich so das letzte Milliampere aus dem MPT herausholen, wenn hohe MPT-Taktfrequenzen mit kleiner Hysterese des CA3140 eingestellt werden. Aber dann müssen anderweitige Verbraucher oder Shuntregler durch Wegschlucken von Leistung ein Überladen der Akkus verhindern. Dieses Durchschalten kann das Trackingloch retuschieren, das bei sehr eng beieinander liegender Eingangs- und Ausgangsspannung ansonsten entstünde, also bei relativ hohen Lastspannungen von ca. 13-14V. Je nach Anwendung kann dieses Loch jedoch auch positiv gesehen werden, weil es faktisch ein erwünschtes Abregeln der Ladeleistung nahe Ladeschlußspannung bedeutet. Im reinen Motorbetrieb des Trackers wurde bei Tests festgestellt, daß dieses Durchschalten des Trackers ohne MPT-Oszillation merkbar mehr Motorleistung im oberen Leistungsbereich freisetzen kann. Deshalb ist diese Schaltmöglichkeit im Interesse universeller Eigenschaften (Sommer/Winterbetrieb!) eigentlich unverzichtbar.
Die Platine wurde für 19 Zoll -Gehäuse konzipiert. Alle LEDs sowie die wichtigsten Trimmer sitzen nahe der Frontplatte und können direkt durch Bohrungen geführt bzw. eingestellt werden. Natürlich können auch normale Gehäusetypen verwendet werden, wobei eventl. liegende statt stehender Trimmer vorteilhaft sind. Je nach Leistung müssen Gehäuse genügend groß sein. Bei höheren Leistungen sind Kühlschlitze erforderlich. Nicht nur Halbleiter, sondern auch Elkos, Sicherungen, Leiterbahnen etc. geben bei höheren Strömen Wärme ab. Ab 2- 3A Eingangsstrom sollten Kupferbahnen unter Materialauftrag verzinnt werden, damit nicht zusätzliche Verlustquellen entstehen. Systemkomponententräger wie 19 Zoll- Baugruppenträger haben den Vorteil einer äußerst "luftigen" Montage der Platinen. Der hier beschriebene MPT setzt bei voller Leistung nur ein paar Watt Verlustleistung frei. Diese muß aber unbedingt verläßlich abgeführt werden! Dazu reicht bei voller Leistung eine auch nur entfernt liegende indirekte Zwangslüftung mit einem Ventilator etwa von einer Shuntreglereinheit. Die Bauteile danken dafür mit langem Leben !
Kühlkörper: bis 1A Eingangsstrom nicht erforderlich, bis 3A reichen 1-Zoll Kühlkörper mit ca. 15 bis 20 Grad/W für MOSFET und Doppeldiode MBR2045CT. Für höhere Eingangsströme sind größere Kühlkörper dann entbehrlich, wenn ein Ventilator für Konvektion sorgt. Die Platine ermöglicht neben Standard 1 Zoll auch die Verwendung von Kühlkörpern im 1.5 Zoll Raster. Gestanzte Blechkühlkörper sind ökologischer und billiger als stranggepresste Alukühlkörper.
Schalter /Jumper: Auf der Platine sind 2,54 mm Bohrungen für 3-polige Stiftleisten vorgesehen. Jumper können so leicht gesteckt werden. Werden statt dessen Schalter eingesetzt, dann sind aufgesetzte Buchsenleisten gut geeignet zum Anlöten der Schalteranschlüsse. Achtung: Die Stiftleiste "EXT." liegt neben den Anschlüssen für S1 und S3 und ist bereits für zukünftige optionale Leistungserweiterungen vorgesehen. Nicht verwechseln!
ICs: Fassungen sind bei Selbstbauten immer sinnvoll!
Als Temperaturfühler kann provisorisch und auch für Anwendungen, in denen das Trackingverhalten nicht so stark der Solarkennlinie folgen soll, eine 1N4148 an der Platine angeschlossen werden. Zunächst wird ein regelbares Netzgerät nur lastseitig als Akkuersatz angeschlossen. Bei eingestellten 15V muß die rote LED der Überspannungsdetektion leuchten. Mit dem 4,7 K Trimmer kann auf diesen Wert justiert werden. Der Feinabgleich sollte 14,5 V für Bleiakkus und 13,8 V für NC-Typen betragen. Wird bei dieser "Lastspannungssimulation" eine Spannung darunter angelegt, dann darf nur die gelbe LED leuchten. Natürlich dürfen nur einige Miliampere in den MPT fließen. Erst nach diesem Check sollte ein Akku oder ein Motor, Glühlampe o.ä. als Last angeschlossen werden. Optimal ist zum Testen ein regelbarer Shuntregler, der ausgangsseitig als "Pseudobatterie" arbeiten kann.
Zum Testen ist es vorteilhafter, wenn eingangsseitig zunächst statt Solarmodul ein regelbares Netzteil mit einstellbarer Strombegrenzung auf zunächst ca. 20V / 0.5 - 1A eingestellt, angeschlossen wird.
Regelhubtrimmer 100K am Temperaturfühler etwa
in Mittelstellung bringen. Dieser wird erst später je nach Drift des MPPs
auf höheren Regelhub (Rechtsanschlag) je nach Solarmodultype gegebenenfalls
nachjustiert. Der 4,7 M Trimmer (MPT- Hysterese) wird
Platine
Bestückungsplan
ebenso zunächst in Mittelstellung gebracht, und erst zuletzt auf maximalen Ausgangsstrom eingestellt. Mit dem 10K- Trimmer (MPT-Arbeitspunkt) muß sich dann die Trackerarbeitsspannung einstellen lassen (ca. 13-18V), das ist der Wert optimaler Leistung nach Solarmodulkennlinie. Die Spannung des Netzteils muß auf diesen Wert zusammenbrechen, die grüne LED leuchtet und ein hörbares Piepsen oder Knurren des Ringkerns zeigt an, daß der MPT arbeitet, sofern die Lastspannung niedriger als die Eingangsspannung ist.
Wird Temperaturfühlerdiode 1N4148 nun etwas erwärmt zB. mit der Hand oder durch kurzen Tip mit dem Lötkolben, dann muß diese Trackingspannung mit der Erwärmung deutlich absinken.
Der Tracker arbeitet dann einwandfrei, wenn bei etwas weniger als halber Ausgangsspannung bezogen auf die Eingangsspannung eine Stromverdopplung gemessen wird, entsprechend Trackinggewinn von 100%. Naturgemäß stellen sich Trackinggewinne darüber hinaus bei entsprechend niedrigeren Ausgangsspannungen bzw. Lastspannungen ein.
Schaltungstest/Fehlerdiagnose:
Die fertig aufgebaute Schaltung kann leicht getestet
werden:
Die Logikspannungsversorgung mit T1 muß an die ICs ca 11V liefern können.
An Pin 2 und 3 des CA3140 müssen jeweils ca. 0.5 V anliegen. Je nachdem, welche Spannung größer ist, geht der OP Ausgang an Pin 6 auf log " 1" oder Null. Wird das IC aus der Fassung gezogen, so kann die Diagnostik vereinfacht werden, weil zB. Ausgang Pin 6 "künstlich" bei Bedarf auf "1" oder "0" gesetzt werden kann.
Das "Diodengemüse" zwischen CA3140 und CD4584 bildet jeweils ein Dioden - UND und ein Dioden - ODER - Gatter, das zusammen mit Sperrtransistor T2 und den Schaltern/Jumpern S1 u. S3 das Treiber IC CD 4584 sperrt oder durchschaltet. Log. "1" an Pin 13 muß zum selben Schaltzustand am Gate des FET führen. T2 wird durch den Optokoppler CNY 17 bei aktiver gelber Leuchtdiode dichtgezogen und sperrt den Tracker erst, wenn T2 leitend wird bei erloschener gelber LED. Das ist bei lastseitiger Überspannung und leitendem BC308 der Fall, sowie wenn S2 an Last -Minus liegt und die Ausgangsspannung zu niedrig ist, um die gelbe LED und den Optokoppler in Reihe zum Leuchten zu bringen.
Der Leistungsschalter mit dem FET kann leicht bei
gezogenem CD4584 überprüft werden, indem das Gate mit einem 10K Widerstand
zu der Logikspannungsversorgung an Pin 14 nach Plus gezogen wird. Bei dann leitendem
FET muß die MPT- Eingangsspannung auf den Wert der Ausgangsspannung zusammenbrechen.
Anwendungstips:
Dieser MPT eignet sich vorzüglich als Ladetracker für 12V Systeme.
Sie kann sowohl im Stand - Alone -Betrieb mit Ladeschlußabschaltung betrieben
werden, wie auch mit Shuntreglern, wenn eine volle thermische Energieverwertung
erwünscht ist, oder Windkraft implementiert wird. Das Laden von 6 V Akkus
ist möglich, jedoch kann der analoge Kontrollteil dann keine Ladereglerfunktion
übernehmen, weil auf 12 V Nennspannung ausgelegt.
Dieser MPT eröffnet für Motorantriebe neue Dimensionen, weil über den Ausgangselko CL mit 100MF E-Motoren eine noch stark gepulste DC - Spannung zur Verfügung gestellt werden kann, die die Anlaufeigenschaften und das Drehmoment bei niedrigem Energieeintrag deutlich erhöhen zusätzlich zu erheblichen Trackinggewinnen. Verglichen mit bisherigem Equiptment können so Solarflächengrößen erheblich verkleinert werden.
Bisher wenig populär ist der Einsatz von Photovoltaik
als "Nachheizregister" für thermische Solarabsorber zur Wassererwärmung.
Bei kleinen Delta- t solcher Absorber sinkt nämlich der Wirkungsgrad von
Solarabsorbern deutlich ab, sodaß photovoltaisches Nachheizen sich doch
lohnen kann. Zu niedrige Vorlauftemperaturen und daraus resultierende Keimbildungen
(Legionellen) im Wassersystem lassen sich so vermeiden. Der SD- MPT erlaubt
den Anschluß von Heizwiderständen und sorgt bei jedem Energieangebot
für optimale Anpassung. Solche Heizwiderstände müssen etwa so
ausgelegt werden, daß bei
Interessant ist der Einsatz dieses MPTs auch für batterielose Anwendungen, wenn zB. Elektronik nur bei Sonnenlicht aktiviert sein soll. Batterielose Systeme im solaren Direktbetrieb sind viel haltbarer und zuverlässiger als Akkusysteme, weil kein Chemismus vorliegt.
(Werte nach Schrägstrich gelten für Ventilatorkühlung)
