Um eine Solarzelle, die 60-80V und bis zu 1,5A erzeugt, für eine Auto-Kühlbox zu verwenden, musste ein Schaltnetzteil her. Das Schaltnetzteil ist ein PWM-geregelter Step-Down Wandler mit Highside N-Channel MOSFET. Erreicht wurden 75% Effizienz (80V Eingangangsspannung, Ausgang 13V und 5A).
Auswahl der Bauelemente
Die Spulenauswahl ist das wohl schwierigste bei einem Schaltwandler. Mainboard-Spulen haben eine viel zu geringe Induktivität, sodass mehrere 100 kHz Schaltfrequenz nötig wären, die dieser Wandler nicht schafft. Eine „FED 100µ“ von Reichelt funktionierte, wurde aber sehr heiß (autsch!). Etwas besser ist eine namenlose Ausgangsdrossel aus dem 5V-Pfad eines PC-Netzteils. Mit dieser Spule läuft der Wandler auf 23 kHz am effizientesten, bei 100 kHz sinkt der Wirkungsgrad bereits deutlich. Schaltfrequenzen unter 20 kHz würden sich durch Pfeifgeräusche bemerkbar machen. Wenn die Spule „rauscht“, sind das Regelschwingungen, die eliminiert werden müssen. (Der Tastgrad der PWM soll möglichst konstant bleiben, wenn er bei gleicher Last dauernd hin und her wechselt, ist die Regelung falsch.)
Die Rückwärtsdiode ist aus einem Fernseh-Hochspannungsteil und im isolierten TO220-Gehäuse. Gut eignen sich auch die Doppel-Schottky-Dioden aus PC-Netzteilen. Bei diesen muss jedoch die Sperrspannung beachtet werden, die hier bis zu 100 Volt betragen kann.
Ein N-Channel FET musste her, da P-Channel FETs meist teurer oder schlechter als N-Channel sind. Die MOSFET-Auswahl ist bei diesen Spannungen eher eingeschränkt, da viele Modelle nur für eine maximale Drain-Source-Spannung von 55V ausgelegt sind. Die Wahl fiel zuerst auf einen BUZ21 (100V, 85mΩ), wobei dieser mit seinen 100V eher knapp dimensioniert war. Obwohl der BUZ21 „Avalanche Rated“ ist, also kurzzeitige Spannungsspitzen intern verheizen können sollte, hat er sich nach einiger Zeit verabschiedet: Die Gate-Source-Strecke wurde leitend und hat mich gehörig bei der Fehlersuche verwirrt. Nun wurde stattdessen ein dicker Mosfet von IRF mit 200V Spannungsfestigkeit bestellt und eingebaut. Dieser hat parallel zur Drain-Source Strecke gleich eine Transil-Diode 100V bekommen und funktioniert bis heute.
Ein N-FET benötigt zum Durchschalten eine Gate-Spannung, die ca 10V über der Source-Spannung liegt. Deshalb ist eine besondere Spannungsversorgung und Ansteuerung notwendig, die später noch erläutert wird.
Alle Bauteile produzieren Abwärme, sodass ein Kühler notwendig ist. Auch dieser ist in einem alten PC-Netzteil zu finden. Eigentlich könnte man mit etwas Geschick sogar dieses gesamte Projekt nur mit einem toten PC-Netzteil, einem MOSFET, einer Lochrasterplatine und einem Lötkolben aufbauen, da PC-Netzteile oft auch einen TL494 enthalten. Wer es als erster schafft und online stellt, kriegt einen Keks :-).
Die Highside N-Channel Ansteuerung
Der MOSFET wird von einer per Optokoppler getrennten Highside-Ansteuerung gesteuert. Diese Ansteuerung erhält ihre Versorgungsspannung über eine Bootstrap-Schaltung: Die Masse dieser Highside-Spannung hängt an Source des Mosfets. Über eine Diode (UF4007, 1000V, 1A) von der Versorgungsspannung zum Highside-Elko wird dieser aufgeladen, während Source gerade auf Masse ist. Dies ist der Fall, während der MOSFET ausgeschaltet ist und Strom über die Rückwärtsdiode durch die Spule in den Ausgangselko fließt. Während der Anschaltdauer wird der Highside-Elko dann langsam entladen. Diese Schaltung benötigt eine Mindest-Ausschaltdauer, die sich über den DTC-Pin des TL494 erzwingen lässt. Dies kann man bei sehr knapper Eingangsspannung (und deaktivierter Unterspannungsabschaltung) einfach ausprobieren: Bei beinahe 100% Tastverhältnis sinkt irgendwann die Highside-Versorgungsspannung zu stark ab, sodass man die maximale Einschaltdauer wieder verringern muss.
Als MOSFET-Treiber wird eine Schaltung aus Inverter und Komplementär-Emitterfolger verwendet. Sie erreicht Umladezeiten von ca 500ns, kostet dafür nur wenige Cent. Ein Treiber-IC, z.B. ICL7667, ist mit 100ns deutlich besser, kostet dafür aber auch ordentlich Geld (Reichelt: 1,77€! Billigster MOSFET-Treiber ist dort meines Wissens nach der MCP1407-E/P für 95ct). Das Ansteuersignal wird über einen CNY17-3 Optokoppler übertragen. Bei diesem ist die Basis über einen 100k-Widerstand mit dem Emitter verbunden, damit er schneller abschaltet. Aus Sicherheitsgründen sind noch eine Zenerdiode am Gate des Mosfets sowie ein Gatewiderstand gegen Schwingungen eingebaut.
Die Regelung mit TL494
Datenblatt und Application Note des TL494 sind zwar hilfreich, schweigen sich aber über ein wichtiges Detail aus: Damit die Schaltung nicht in Regelschwingungen ausbricht oder durch die Schaltflanken auf der Ausgangsspannung gestört wird, darf für hochfrequente Änderungen nur eine geringe Verstärkung vorhanden sein. Um trotzdem eine sinnvolle Spannungsregelung zu gewährleisten, wird der erste Error Amplifier als I-Regler beschaltet: Statt nur einem Widerstand ist ein Kondensator von -IN zu FB notwendig. Ein P-Regler ist bei einem Schaltwandler immer kritisch, da er auf alle Schaltflanken sofort reagiert. Mehr Theorie dazu bei RN-Wissen: Regelungstechnik.
Wenn der Tastgrad der PWM nicht stabil bleibt, sondern hin und her schwankt oder der TL494 mehrmals während einer Periode der Schaltfrequenz, die man am Timing-Kondensator CT messen kann, an- und ausschaltet, muss der I-Anteil verringert werden (Kondensator vergrößern).
Unterspannungsabschaltung
Eine Solarzelle ist hauptsächlich eine Stromquelle. Je nach Belastung liefert sie bei gleicher Lichtstärke 0-55V bei ca. 1A und im Leerlauf bis zu 80V. Erhöht der Schaltwandler seinen PWM-Tastgrad, sinkt die Spannung der Solarzelle. Dann muss der Wandler jedoch seinen Tastgrad noch stärker erhöhen, um die Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten, sodass die Eingangsspannung schließlich (fast) zusammenbricht.
Um dies zu verhindern, wird über den zweiten Error Amplifier des TL494 eine Unterspannungsabschaltung realisiert. Sinkt die Eingangsspannung unter 58V (ausprobierter Wert für maximale Eingangsleistung bei geringem Lichteinfall), so wird der Tastgrad stark verringert. Damit wird immer die maximal mögliche Leistung aus der Solarzelle entnommen. Bei einer Autokühlbox (12V, 5A) als Last am Ausgang brach ohne diese Schaltung selbst bei voller Sonne die Eingangsspannung auf ca 6 Volt zusammen, da die Solarzelle nur maximal 1,5A liefert.
Sicherheit
Damit die Schaltung nicht alles in Flammen setzt, wenn man im Urlaub ist, würde ich empfehlen, Ein- und Ausgang entsprechend abzusichern (Sicherungshalter sind nicht nur zur Deko da). Bei einem Ausgangskurzschluss dürfte ein sehr hoher Strom fließen, wodurch der Mosfet durchbrennt oder schlimmstenfalls brennt. Mit Absicherung ist eine Überhitzung unwahrscheinlich, wer will soll noch einen Bimetallschalter oder eine Thermosicherung an den Kühler kleben, die auch für DC erlaubt ist und bei ca 70 Grad abschaltet.
Steuerspannung
Die 12V für den TL494 werden an einem getrennten Anschluss eingespeist und nicht aus der Solarzelle gewonnen. Mir war es einfach zu unsicher, wie genau die Schaltung sich nun verhält wenn nur geringe Spannungen anliegen. Sicherlich könnte man mit einem Linearregler (Spannungsfestigkeit 100V!) aus der Solarspannung 10V erzeugen und mit je einer Diode diese 10V und die 12V des Ausgangs zusammenschalten. Wer dies ausprobieren möchte, soll es tun und einen Kommentar hinterlassen, ich habe mich nicht weiter gekümmert da in der gegebenen Anwendung sowieso eine dauerhafte 12V-Versorgung vorhanden ist.
Aufbau und Einstellung
Es gibt drei Potis:
- RV1 = Out: Feinabstimmung der Ausgangsspannung (ca. 11-13 V, wer mehr will soll ein Poti mit größerem Wert einbauen oder andere Widerstände im Spannungsteiler verwenden)
- RV2 = IN: Unterspannungs-Abschaltung, stellt ein unterhalb von welcher Eingangsspannung der Ausgang heruntergeregelt werden soll.
- RV3 = DTC: Maximaler Tastgrad der PWM (bei zu nahe an 100% würde die Bootstrap-Versorgung absaufen) – im Zweifel mal auf halb oder etwas mehr stellen, Pulsbreite am MOSFET darf maximal 80% sein.
Baufortschritt
Nachdem alles mit Breadboard und vielen Metern Bananenkabel funktionierte, habe ich den Schaltplan entworfen und Philipp hat dazu schnell ein Layout erstellt (Danke!). Nach einiger Fehlersuche und Reparatur (Masse war irgendwo aus Versehen durchtrennt, Drahtbrücke hatte keinen Kontakt, Treibertransistoren waren wegen dem Masseproblem verreckt, BUZ21 hatte sich zerschossen, Treibertransistoren wieder getauscht und neuen Mosfet eingebaut) läuft jetzt alles. Die Footprints der Potis waren nicht ganz richtig, deshalb ist das online gestellte Layout eine verbesserte Version von dem, was bei Philipp mittlerweile in einem PC-Netzteilgehäuse brav seinen Dienst tut. Seit 2011 gibt es jetzt gekühlte Cola beim Basteln!
Hier noch ein Foto des Aufbaus, auf dem auch ersichtlich ist, welches Poti was macht:
Downloads
Simulationsschaltplan (LTSpice): (nicht 100% korrekte Bauteilwerte, nur zum Experimentieren, 1meg am Optokoppler sollte durch 100k ersetzt werden) Der Schaltwandler ohne Regelung zum Simulieren in LTSpice (kostenlos von linear.com herunterladbar).
Folgende Layouts sind zur Zeit noch nicht auf allerneuestem Stand. Der Regler wurde von PI auf I umgeändert, der Artikeltext ist bereits angepasst. Außerdem wurden einige weitere kleine Änderungen vorgenommen, die noch eingearbeitet werden müssen. Montagelöcher fehlen auch noch. Bei Interesse einfach einen Kommentar hinterlassen, dann mache ich mir die Arbeit.
Schaltplan (PDF),Platinenlayout (mehrere PDFs in einem ZIP), ursprünglich erstellt von Philipp, von mir nochmal angepasst. Die Platine muss nicht wirklich doppelseitig gemacht werden, sie ist für einseitig mit Drahtbrücken gedacht.
Schaltplan und Platine (KiCad), erstellt mit KiCad (frei herunterladbar für Linux und Windows)
Lizenz der Dateien: unbegrenzte Verwendung gestattet – keine Haftung oder Garantie. Wenn du damit reich wirst (oder auch nicht), hinterlasse doch bitte einen Kommetar.
Datenblätter
Datenblatt TL494 (TI), Application Note zum TL494 mit Beispielschaltung (TI)
Ähnliche Projekte und Links
Guido Speer: Trafowickelmaschine mit Motor-Schaltregler
TL494 – magic chip: gute, schrittweise Erklärung mit vielen Schaltungen zum Ausprobieren
SPRUT: Schaltregler-Grundlagen
Tags: highside, regelschwingung, regelung, schwingung, step-down, tl494
Hat mir geholfen den 494 besser zu verstehen!
Ein Anstoss für einen Step Down Schaltregler von 60 – 80 VDC Solararray zu 48 V USV. 60A Strom, ca 2 kW. Braucht bloss eine Handvoll Mosfets, aber sonst ähnlich;-)
die Schaltung will nicht laufen.
Referenz Spannung ist cca. 4.95V die Grune LED leuchtet nicht, das heisst der FET treiber hat keine Spannung. hab da auch eine externe galvanisch getrennte 12V Spannung eingeschaltet, aber es lauft nit.
oscilator lauft, hab das mit osciloscope gecheckt, aber wie soll ich den Ausgang (pin9) zum laufen bringen? welche Spannungen sollen an DCT, 1in+ , 2in- eingestellt sein,
damit ich es teste. wenn ich den PIN 9 auf 12V bringe, schaltet der MOSFET(bei 12V externer Spannung am mosfet Treiber), naturlich ohne abgeschalteten 60V eingang(es sind da zum test nur 15V am Eingang.
RV1 und RV3 auf Mitte, RV2 muss (soweit ich weiß) auf null (oder auf voll). Siehe auch Abschnitt „Aufbau und Einstellung“.
danke,
habs probiert, jetzt lauft es, aber nach einschalten der spannung (solarpanell und 12V) muss ich immer mit externer spannung am C11 nachhelfen, denn beim start ladt sich der Elko nicht auf.
ware es nicht besser einen kleinen 12VDC/12VDC wandler von traco zu nehmen?
ich denke es ist nict sehr efektiv 3x 470 Ohm die Grunglast zu verbraten.
es ist einfach zu viel. wenn die Spannung am Panell unter 40V sinkt, wird sowieso die PWM reduziert, dann ware es besser die Versorgungspoannung fur den TL494 und den kleinen wandler direkt vom Panel zu nehmen. denn bei jetziger Schaltung droht volgendes: wenn bei Betrieb der Akku abgeklemmt wird und der mosfet geht kaputt, dan verbrennt auch der TL494.
vielleicht ware es auch sinvoller einen starken P-MOSFET zu nehmen, dann braucht man keinen mosfet Treiber und keinen wandler.
denn der Mosfet schaltet sovieso nur max 2A, die groeste warme Produziert die Spule und die D6 diode.
weiss nicht ob mein eintra gesende wurde, also CTRL+V
danke,
habs probiert, jetzt lauft es, aber nach einschalten der spannung (solarpanell und 12V) muss ich immer mit externer spannung am C11 nachhelfen, denn beim start ladt sich der Elko nicht auf.
ware es nicht besser einen kleinen 12VDC/12VDC wandler von traco zu nehmen?
ich denke es ist nict sehr efektiv 3x 470 Ohm die Grunglast zu verbraten.
es ist einfach zu viel. wenn die Spannung am Panell unter 40V sinkt, wird sowieso die PWM reduziert, dann ware es besser die Versorgungspoannung fur den TL494 und den kleinen wandler direkt vom Panel zu nehmen. denn bei jetziger Schaltung droht volgendes: wenn bei Betrieb der Akku abgeklemmt wird und der mosfet geht kaputt, dan verbrennt auch der TL494.
vielleicht ware es auch sinvoller einen starken P-MOSFET zu nehmen, dann braucht man keinen mosfet Treiber und keinen wandler.
denn der Mosfet schaltet sovieso nur max 2A, die groeste warme Produziert die Spule und die D6 diode.
Die Einträge schalte ich erst von Hand frei, trotz CAPTCHA kommt noch zuviel Spam durch.
Durch den Mosfet fließt der volle Spulenstrom (Google: Stromverlauf Tiefsetzsteller) von etwa 5A, wenn auch nur kurzzeitig. Der Effektivwert davon ist aber durchaus mehr als der Mittelwert des Stromes. Es kann aber hier durchaus sein, dass auch ein guter P-MOS funktioniert. Dessen Ansteuerung ist aber auch nicht ganz trivial, denn die Gate-Source-Spannung darf nicht größer als 15V werden und der Klassiker Zenerdiode+Widerstand führt zu ziemlich großen Schaltzeiten.
Mit Akku am Ausgang hast du Recht, da kann die Schaltung nicht starten. Für Akku laden fehlt aber eigentlich auch eine Strombegrenzung, das hat die Schaltung ja nur indirekt darüber, dass die Solarzelle eine gewisse Maximalleistung abgibt.
Ein Traco wäre auch eine Möglichkeit zur Highside-Versorgung.
jetzt hab ich die 12V Versorgung volgend gemacht:
mit BDX 54C
E – 12,x output
B – 13V zener diode an GBD, dann ein 6kOhm widerstand an den eeingang.
C – 47 Ohm widerstand an den eingang
bei eingangapannung von 20V bis 80V ist die Ausgangspannung von 12,5 bis 13,2 V, dar ist ausreichend fur den TL 494
jetzt startet die Schaltung automatisch, man braucht jetzt kein DC wandler.
das gruste problem ist jetzt die Spule, die ist ziemlich heiss (draht 1 mm2) und das bei Strom 2,8A. induktivitat etwa 68uH.
bei Frequenz 44kHz bin ich bei Wirkungsgrad 81% (eingang 44V, ausgang 13,4V).
ich Versuche 2 Drahte paralell zu wickeln und auf 100uH zu gehen.
bei 65 kHz sinkt der Wirkungsgrad. bei 25kHz ist der Wirkungsgrad 79%
hab da andere Drossel mit grusserem Ring genommen mit dem gleichem Draht und Induktivitat 100uH.
bei 5A ist die Drossel nur leicht warm.
Bin heute da drauf gestossen, weil ich nach 1kw-wandler stöbere für mein neues bike, selbstbau mit 48v 40ah lifepo4 beutelzellenbatterie.
Das mit dem peltier kühler habe ich vor jahren gelöst und habe einfach die kühlleistung bei´niederer spannung ausprobiert mit bingo, das p-element kühlt auch bei 5 volt 2amp noch ausreichend. Aber dank für die tips für einen buck von 60v auf 12v, das war mit interessant mfg, otto
werde da öfter reinschaun!
Für 1kW würde ich dir zu was ernsthafterem raten, von TI gibts da „alles auf einmal“ Chips, an die nur noch ne dicke Bank MOSFETS ran muss.
Der Peltier-Kühler ist auch mit reduzierter Spannung sehr sparsam betriebsfähig, besonders bei portabelbetrieb und mit kleinem Speicherakku. So kann man bereits mit nur 5 Volt, eine Kühltemperatur für Lebensmittel von 8° erreichen – das reicht in den meisten Fällen und spart 79% Energie gegenüber 12 Volt Betrieb. Stromverbrauch etwa 5 Volt und nur 2 Ampere.
Würde dazu vielleicht ein Selbstschwinger geeignet sein als BUK. Kann das wer probieren? [edit Admin: Mailadresse als Spamschutz entfernt]