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63671 Schaltung des Ausgangs eines solarbetriebenen Akkus - Jürgen Kallies 05. April 2019 17:22:05

Mit dem Akku (7Ah, Ausgangsspannung 12 – 24V) wird eine Teichpumpe betrieben. Die Ladung des Akkus erfolgt über ein 20W Solarmodul und ist somit wetterabhängig. Der Akku hat einen integrierten Tiefenentlade- und Überladungsschutz. Der Ausgang wird über einen (abschaltbaren) Timer geschaltet.

Diese Regelung über einen Timer scheint mir nicht sehr sinnvoll zu sein, da unnötigerweise auch bei voller Sonneneinstrahlung periodisch abgeschaltet wird, was man nur durch Deaktivierung des Timers per Hand verhindern kann.

Besser wäre eine Schaltung des Ausganges in Abhängigkeit vom Ladezustand (bzw. von der am Ausgang anliegenden Spannung) des Akkus. Z.B. Abschalten bei Absinken der Ausgangsspannung unter 12+x V, entsprechend Einschalten bei 12+y V.

Gesucht ist eine Schaltung, die eine solche Regelung ermöglicht.
Kann mir jemand helfen?
Danke


63672 Re: Schaltung des Ausgangs eines solarbetriebenen Akkus - Theodor Wadelow 11. April 2019 12:27:2463671

Hallo Jürgen,

deine Problembeschreibung ist umfangreich und ausreichend detailliert, erzeugt bei mir aber mehr Gegenfragen als Antworten.

> Mit dem Akku (7Ah, Ausgangsspannung 12 – 24V)
Ist die Ausgangsspannung einstellbar? Ist da ein Wandler integriert oder wie geht das?

> wird eine Teichpumpe betrieben.
Wie ist deren Nennspannung und kennst du die tatsächliche Spannungen im Betrieb mit vollem und leerem Akku?
Nennstrom?

> Die Ladung des Akkus erfolgt über ein 20W Solarmodul und ist somit wetterabhängig.
> Der Akku hat einen integrierten Tiefenentlade- und Überladungsschutz. Der Ausgang wird über einen (abschaltbaren) Timer geschaltet.
> Diese Regelung über einen Timer scheint mir nicht sehr sinnvoll zu sein, da unnötigerweise auch bei voller Sonneneinstrahlung periodisch abgeschaltet wird,
> was man nur durch Deaktivierung des Timers per Hand verhindern kann.

Nun, das kommt darauf an: Wenn die Pumpe läuft, ist das Solarmodul dann alleine in der Lage, diese zu versorgen, d.h. ohne den Akku zu belasten?
Wenn ja, dann ist es sinnvoll die Pumpe dauerlaufen zu lassen, sonst würde ich lieber die Sonne dafür verwenden um den Akku zu füllen und die Pumpe periodisch laufen lassen.

> Besser wäre eine Schaltung des Ausganges in Abhängigkeit vom Ladezustand (bzw. von der am Ausgang anliegenden Spannung) des Akkus.
> Z.B. Abschalten bei Absinken der Ausgangsspannung unter 12+x V, entsprechend Einschalten bei 12+y V.
Handelt es sich um eine Blei-Gel-Akku? Dann empfehle ich für Pulsbetrieb eine Ladespannung von ca. 13.5-3.8V und eine Entladespannung von ca. 12.2-12.6V
Wäre es nicht noch besser, wenn die Pumpe je nach Ladezustand des Akkus entweder öfter oder seltener für einen fixen Zeitraum anginge (z.B. um ein Wasserspiel zu sehen). Im Extremfall bei vollem Akku liefe die Pumpe dann durch, weil die Einschatzeiträume überlappen.
Oder wäre es besser, wenn die Pumpe regelmäßig für einen ladungsabhängigen Zeitraum anginge, also lange an wenn hohe Spannung. Damit hätte man regelmäßigen Betrieb z.B. zu Belüftungszwecken.

>Gesucht ist eine Schaltung, die eine solche Regelung ermöglicht.
Das ist allgemein eine Spannungs-Vergleicher-Schaltung mit Hysterese, wenn das o.a. 'x' und 'y' unterschiedlich sind.

Wichtig ist noch zu wissen ob mit dem Akku mit "Intelligenz" die Minuspole des Solarpanels des Akkus und des Motors direkt miteinander verbunden sind.
So würden zwar die meisten Systeme von den meisten Leuten gebaut werden, aber das muss nicht so sein. Deshalb wäre es wichtig zu wissen wie Du das bisher gemacht hast.

Einen Schaltvorschlag (ohne deine Antworten abzuwarten; wenn alles mit gemeinsamem Minuspol durchverbunden ist) habe ich Dir schonmal hier hingelegt:
ht tps://imgur.com/JJOP5fo

So wie gezeigt würde die Schaltung bei ca. 13.5V einschalten und bei ca. 12.8V ausschalten. TrimR2 wird als 50kOhm Trimmmer ausgeführt um die Schaltpegel (ungefähr) einzustellen,
mit dem 1MOhm Trimmer TrimR4 kannst du die Hysterese (Deine Differenz y-x) etwa regeln. Ich schreibe "etwa" weil die Einstellungen sich bei dieser Schaltung natürlich gegenseitig beeinflussen.

-Theo


63673 Re: Schaltung des Ausgangs eines solarbetriebenen Akkus - Jürgen Kallies 12. April 2019 12:02:3463672

Hallo Theo,

hätte nicht erwartet, dass meine Anfrage so kompetent beantwortet wird. Besten Dank!

Zu Deinen Fragen: • Es ist in der Tat ein Gel-Akku (wahrscheinlich Blei) • Nennspannung der Pumpe ist 12V, aber sie nimmt die vom Akku gelieferte Spannung (bis gemessene 21V) nicht übel (nur bei der Fördermenge). Strom habe ich noch nicht gemessen. • Wasserspiele interessieren mich nicht, die Pumpe dient nur zu Wasserreinigung und Belüftung • Alles hängt am gleichen Minuspol.

Die Logik Deiner Schaltung passt für mein Problem, auch wenn ich Deinen Entwurf im Detail noch nicht verstehe. Nicht so einfach für einen 81-jährigen Mathematiker, an dem zwar nicht die theoretische, aber doch die praktische Physik vorbeigegangen ist. So zu sagen ein fast schwarzes Loch. Immerhin sind mir ein Lötkolben und ein Experimentierbrett für Trivialitäten nicht fremd.

Sobald ich die Zeit finde, werde ich Dein Konzept ausprobieren.
Nochmals danke
-Jürgen


63674 Re: Schaltung des Ausgangs eines solarbetriebenen Akkus - Jürgen Kallies 12. April 2019 21:24:3063673

Nachtrag: Deinen Entwurf des Hysterese-Schalters habe ich verstanden, Theo.
Könntest Du mir ein freies Schaltplan-Zeichenprogramm empfehlen. Ich wollte
mich schon immer mal darum kümmern. Danke.


63675 Re: Programme zum Zeichen von Schalplänen + Bauteileauswahl - Theodor Wadelow 16. April 2019 14:55:2763674

Hallo Jürgen,

> Nachtrag: Deinen Entwurf des Hysterese-Schalters habe ich verstanden, Theo.
Wow. Von wenig Physik zu "Schaltplan verstanden" in wenigen Tagen, ganz alleine: Ich bin beeindruckt!
Einmal eine grundlegende Wissenschaft verstanden und schon kann es auch mit den anderen Wissenschaften klappen.
Meinen Glückwunsch zum Einstieg in die Elektronik.

> Könntest Du mir ein freies Schaltplan-Zeichenprogramm empfehlen. Ich wollte
> mich schon immer mal darum kümmern. Danke.
Ja, das kommt sehr darauf an, was Du machen möchtest. Ich benutze:
a) LTSpice
www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
zum Zeichnen und Simulieren einfacher Schaltungen.
Das Problem ist die geringe Verfügbarkeit real exisistierender Bauteile. Für einen ersten Aufbau deiner Schaltung würde ich Dir z.B. einen LM311 Komparator oder einen TL081 Operationsverstärker empfehlen, die sind im 8-Pin DIP-Gehäuse verfügbar. Diese "klassischen" Bauteile sind aber in der Regel nicht in LTSpice verfügbar. Man kann sich einige Bauteile aus im Internet kursierenden Spice-Bibliotheken zusammenbauen, aber das zum-Laufen-bringen ist zeitraubend und die Qualität der Modelle nicht klar.
Die Simulationen erfordern Fingerspitzengefühl (massive Systeme gekoppelter linearer Differentialgleichungen); nicht alles was in der Simulation geht geht in der Wirklichkeit und andersherum. Man muss also etwa wissen was man erwartet und was man der Simulation glaubt. Einige Tricks verbessern dann das Simulationsergebnis, siehe z.B. die angenommenen 10 Milliohm Innenwiderstand der Spannungsversorgung (Rser=10m) in der Simulation. So ein Innenwiderstand ist in der Realität auch zu erwarten, würde aber in einer einfachen Berechnung der Schaltung nicht berücksichtigt.

b) KiCAD. Kann Schaltplan + Platinenlayout.
ht tp://kicad-pcb.org/
Wird jetzt u.a. vom Forschungszenzrum CERN (bei Genf) als offizielles Tool verwendet.
Ich habe damit schon Platinen entworfen und in Kleinserie gefertigt. Funktioniert, aber die Einarbeitung ist zeitraubend und die Dokumentation begrenzt/mangelhaft/veraltet. Zum Teil musste ich Videos im Internet gucken um einige Funktionen zu verstehen. Es sind sehr viele Bauteile verfügbar, allerdings (wie ich finde) viele nur in "komischen" Größen die ich so nicht verwenden würde. Dann muss man z.B. die echten Gehäuse aus dem Datenblatt bestmöglich in KiCAD abzeichnen um damit arbeiten zu können. Die Kooperative Herangehensweise an die Bauteilebibliothek(en) führt zu Uneinheitlichkeit in der Darstellung; das verschreckt einige Benutzer sehr.

c) LaTex/CircuiTikZ; wenn man (als Mathematiker [?]) schon LaTex kann, wäre
ht tp://texdoc.net/texmf-dist/doc/latex/circuitikz/circuitikzmanual.pdf
(Beispiele ab Seite 55) eine sehr naheliegende Option. Die Darstellungsqualität ist wie immer bei TeX exzellent, man ist aber auf eher grundlegende Schaltungen beschränkt.

Was mit persönlich fehlt sind Tools um die Dateiformate der drei Programme umzuwandeln. Aus einer LTSpice-Simulation mit dem Schaltplan(!) nach KiCAD gehen, dort ein PCB machen und mit dem Schaltplan(!) nach TeX/CircuiTikZ gehen um die Dokumentation zu erstellen.

Oh, und wenn du die von mir vorgeschlagene Schaltung tatsächlich realisieren willst, man könnte über die Bauteileauswahl nochmal sprechen.
Was Du "am Besten" nimmst kommt auf die Quelle deiner Bauteile an (bestellen bei Reichelt?) und z.B. auf die zu erwartenden Spannungen und Ströme.
Wie Du sagtest, "21 Volt" an einem 12V Akku wäre sehr hoch. Sicher daß da kein Messfehler vorliegt?
Wieviel Strom zieht die Teichpumpe (z.B. lt. Typenschild)?

Als Komparator kämme dann z.B. ein LM311 (auf dem Testbrett) zum Einsatz:
www.reichelt.de/komparator-1-fach-dip-8-lm-311-dip-p10454.html

, mit einem IRFU9024 Mosfet
www.reichelt.de/mosfet-p-ch-55v-11a-38w-to-251aa-irfu-9024n-p41735.html

als Ausgangsschalter bis z.B. 2A oder 4A oder so.

Diese Details betreffend die Auswahl der Bauteile nach Eignung, Beschaffbarkeit und Verarbeitbarkeit
bespreche ich gerne, das wird aber mehrfache Kommunikation erfordern.
Der LM311 ist für Dauereinsatz am Akku übrigens nur begrenzt geeignet, weil er permanent 5mA Strom im "Standby" verbraucht.
Das zieht den Akku langsam leer auch wenn die Pumpe nicht läuft.
Da gäbe es, wenn die Schaltung an- und für sich gefällt, dann modernere Komparatoren mit kleinem Betriebsstrom.
Die modernen Bauteile gibt's allerdings zumeist nicht mehr in dem netten (alten) "DIP"-Gehäuse das man auf Steckbrettern bequem testen kann.

Und was Du nochmal dringend überlegen solltest, ist die vorgeschlagene periodische Einschaltung mit verlängerten Einschaltzeiten bei guter Stromversorgung.
Ich denke nämlich dass damit die Filter- und Belüftungsfunktion besser erfüllt wird als mit der rein spannungsbasierten Einschaltung.
Bei der o.a. Schaltung geht die Pumpe nämlich nie an, wenn der Akku nur wenig geladen ist. Dagegen läuft die Pumpe bei vollem Akku dauernd,
ohne mögliche Akkukapazität (bzw. Laufzeit) für die sonnenarmen Tage aufzusparen,

-Theo


63678 Re: Programme zum Zeichen von Schalplänen + Bauteileauswahl - Jürgen Kallies 18. April 2019 15:44:0463675

Hallo Theo,

danke für Deine Zeit, die Du mit meinem Problemchen widmest.

Ich dachte mir schon, dass das Verstehen des Schaltplans die Sache nicht erledigt, das Aussuchen und Beschaffen der Bauteile ist für die Praxis mindestens genau so wichtig. Da fehlt mir dann die Erfahrung.

Auch hatte ich schon darüber nachgedacht, welche Belastung der Standby des Komparators für den Akku mit sich bringen würde. Eine externe Versorgung verbietet sich ja auch, dann könnte man die Pumpe lieber gleich über ein Netzgerät laufen lassen. Ein stromsparender Operationsverstärker ohne DIP wäre wohl der einzige Ausweg , aber evtl. doch schwierig zu handhaben. Die Mosfet sind wohl unkritisch.

• Eine neue Variante wäre es vielleicht, einen selbstgebauten, regelbaren Timer hinten dran zu bauen. Am besten mit einem Lichtsensor, der den Timer bei Sonneneinstrahlung überbrückt. Aber auch das wird die Akkukapazität wohl belasten. An den eingebauten Timer kommt man nicht leicht dran, da er fest im Gehäuse des Akkus verbaut ist.

Früher hatte ich auch schon mal daran gedacht, die Sache digital (mit Arduino o.ä.) anzugehen. Das Problem des Energieverlustes ist wahrscheinlich noch größer.

Es ist ganz interessant, über solche Dinge nachzudenken, zumal die Sache nicht eilig ist. Bis zu einer besseren Lösung bewährt sich, wie schon in den Vorjahren, die Regelung per Hand und gelegentliche Umschaltung der Pumpe auf ein Netzgerät.

Deine Beschreibung der Möglichkeiten zum Zeichnen und Simulieren von Schaltungen ist umfassend und hilfreich. Es ist erstaunlich, dass CERN nichts Besseres zu bieten hat. LaTeX habe ich früher natürlich viel geschrieben. Man staunt immer wieder über neue Anwendungen. Aber LaTex/CircuiTikZ ist für meine kleinen Probleme vielleicht doch ein Overkill.

Schöne Ostern
-Jürgen


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