Solarleuchte im Eigenbau - Bauteileauslegung

stgtroman · Do, 08.04.10, 22:55

Hi ihr

Ich hab mir jetzt mal die 3,6V-Variante mit den 2 Transistoren nachgebaut. Ich benutze aber so lustige Rainbow-Leds, also eine LED mit integriertem Farbwechsel. Durch die unterschiedlichen Farben schwankt auch die Forward-Voltage zwischen 1,8V und 3V.
Am Anfang meines Tests hat alles gut funktioniert, doch nach ein paar Stunden ist mir aufgefallen, dass die LED manche Farben nicht mehr anzeigt. Hab dann die Spannung der Akkus gemessen und mir war klar warum. Ist ja auch nicht weiter tragisch.
Das eigentliche Problem ist, dass die rote Farbe mit einem Spannungsabfall von 1,8V einfach zu niedrig ist, um eine Tiefenentladung zu vermeiden.
Jetz ist meine Frage, ob ihr da vll eine Loesung kennt. Dass die LED dann frueher ausgeht, ist nicht schlimm.
Ich habe mir ja ueberlegt einfach ne Z-Diode mit einer Spannung von etwa 2,7V in Sperrrichtung zu schalten. Dann muesste ja bei einer Zellenspannung von 0,9V die Schaltung ausgehen.
Ich hoffe, ich uebersehe hier nichts

MfG stgtroman

Borax · Fr, 09.04.10, 08:23

Hallo stgtroman,
welcome on board!

einfach ne Z-Diode mit einer Spannung von etwa 2,7V in Sperrrichtung zu schalten

Wo genau soll die hin?

Dann muesste ja bei einer Zellenspannung von 0,9V die Schaltung ausgehen.

Warum?
Z-Dioden 'verbraten' die Spannung oberhalb ihrer Durchbruchsspannung.
Um die Tiefenentladung zu vermeiden wirst Du nicht drum rum kommen hier 'aktiv' auszuschalten also Basis des Transistors Q1 auf Masse ziehen. Sag Bescheid, falls Du einen Schaltplan willst...

stgtroman · Fr, 09.04.10, 12:39

Wo genau soll die hin?

Dachte in Reihe zur LED, da ne Z-Diode ja niederohmig wird, oberhalb der Durchbruchspannung. Deswegen dachte ich, dass wenn die Spannung unter den Sollwert faellt, dass die Z-Diode sperrt und die LED's ausgehn.

Sag Bescheid, falls Du einen Schaltplan willst...

Dann sag ich mal "Bescheid"

hab grad leider keine Idee wie ich die Basis auf Masse zieh.

MfG stgtroman

Borax · Fr, 09.04.10, 14:52

Dachte in Reihe zur LED, da ne Z-Diode ja niederohmig wird, oberhalb der Durchbruchspannung. Deswegen dachte ich, dass

Aber in Reihe zur LED wird die Durchbruchspannung ja gar nicht erreicht... Dann leuchtet gar nichts mehr.
Ich hab mir noch was einfacheres überlegt... Man kann ja genauso gut das Potential am Transistor Q2 hochziehen:

: SolarTiefentladeSchutz1.png (3.83 KiB) 19271 mal betrachtet

Den Widerstand R5 (hier mit 10K eingezeichnet) musst Du ggf. noch ein wenig anpassen, so dass die von Dir gewünschte Abschaltschwelle erreicht wird. In der Simulation liegt bei R5=10K die Abschaltschwelle bei 3.1V; R5=9K => 3.4V und R5=11K=> 2.9V. Reagiert also recht sensibel...

stgtroman · Fr, 09.04.10, 16:55

Super, danke.
Werd ich sobald ich kann versuchen =)

P.S.: Hab wohl in der Vorlesung net genug aufgepasst

stgtroman · Sa, 10.04.10, 15:07

Ich hab jetzt mal die Schaltung im Dauertest, aber mir ist gleich zu Anfang aufgefallen, dass der Helligkeitssensor nicht mehr funktioniert. Davor ging die LED bei Zimmerbeleuchtung aus und jetzt dimmt die des nur runter.
Dafuer muss ich jetzt R1 veraendern oder?

Edit: Ok ich hab mich jetz mal selbst rangesetzt und es simuliert

Warum musst denn du das immer machen. Werde wohl R5 mit 12k oder 13k nehmen.
R1 werde ich wohl auf 390k herabsetzen um das Einschalten noch etwas zu verzoegern.

Meine Zimmerbeleuchtung ist vielleicht auch nicht gerade das beste fuer ne Solarzelle...ich habe nur Kaltweisse LED-Strahler =D
Am Fenster funktionierts einwandfrei =)

Edit2: R2 werde ich wohl auch auf 27k-30k absenken, um die Helligkeit etwas zu erhoehen.

Borax · So, 11.04.10, 13:13

Na also! Gratuliere zum eigenen Erfolg!
Wenn es mit der realen Schaltung sauber funktioniert, dann bitte diese hier posten. Simulation ist halt nur Simulation...
Und dann sollten wir vielleicht mal auf der ersten Seite dieses Riesen-Threads eine Link-Liste zu den wichtigsten Beiträgen zusammenstellen. Dann muss nicht jeder sich hier 'durchsuchen'...

stgtroman · So, 11.04.10, 22:41

So nachdem die Akkus jetzt den Dauertest soweit ueberstanden haben, dass die Spannung auf 2,8V abgesunken ist, gibt es wieder mal ein Problem...
Diese bloeden LEDs verhalten sich net so wie die Simulation

Sobald die Spannung unter 3V sinkt, sinkt die Dropoff-Spannung von 3V auf 2,2V und der Flussstrom auf etwa 5mA und die Schaltung schaltet nicht, wie gewuenscht, bei 2,9V ab.
Man sieht aber, dass die LEDs haeufiger mal einen Aussetzer haben.
Leider habe ich grad kein Zugriff auf ein Labornetzteil um schneller die Spannungen zu erzeugen als den Akkus beim Entladen zuzuschauen

vielleicht schaltet das Ganze ja noch ab =)

Borax · Mo, 12.04.10, 09:38

Ich vermute das Problem liegt wo anders... Ohne Last steigt die Spannung am Akku nach dem 'Abschalten' durch den Schmitt-Trigger (der neu eingefügte Teil der Schaltung) sehr schnell wieder auf >3V und der Schmitt-Trigger schaltet wieder ein. Das wird sich sehr schnell wiederholen, so dass es wahrscheinlich eher wie ein Dimm Effekt aussieht, oder im Abhängigkeit des Rainbow Zyklus ähnlich wie Aussetzer wirkt. Mit so einfachen Mitteln kann man da allerdings nichts mehr dagegen tun (außer noch ein wenig die Widerstände optimieren). Wenn Du das mit Labornetzteil ausprobieren willst, dann noch einen größeren Widerstand (~20Ohm) zwischen Labornetzteil und Schaltung um das 'Erholen' der Akku-Spannung zu simulieren.
Um das wirklich 'sauber' hinzukriegen wäre eine wesentlich aufwändigere Lösung erforderlich (OP-Schmitt-Triger mit Hysterese).

stgtroman · Mo, 12.04.10, 17:04

Nachdem ichs jetz den halben Tag laufen lassen hab, hat sich alles wie gewuenscht abgeschaltet. Fuer meinen Einsatzzweck (keine aktive Beleuchtung, sondern nur ein Effektlicht) reicht das ganze und wie die LEDs um 3 Uhr nachts leuchten is mir dann egal

Geht hauptsaechlich um den Abend, wenn noch Menschen unterwegs sind =)
Als naechstes kommt der Feldversuch um zu schauen, welche Leistung die Solarzelle bringt und welchen Einfluss die Strassenbeleuchtung hat ^^
Vielen Dank Borax =)

Borax · Fr, 21.05.10, 11:30

Derolyd hat mich per PN kontaktiert, inhaltliche Fragen beantworte ich aber nur im öffentlichen Teil des Forums, weil dann haben alle was davon und dafür ist ein Forum schließlich da (die 'Veröffentlichung' dieser PN hier ist abgesprochen).

Hallo,
Habe mir mal die Schltungen für eine Solarlampe in dem Forum angesehen. Die 3,6 Volt Schaltung von Qs'Tree finde ich sehr gut: viewtopic.php?f=35&t=494&hilit=Solar&start=75
Allerdings wollte ich mal fragen, was für LEDs ich da verwenden soll. Die superhellen Nichia haben zwar 20000 mcd aber nur einen abstrahlwinkel von 15°, zudem wie viel kann ich da ranmachen, die schaltung würde mir ja 360ma liefern bei einem Vorwiderstand von 10Ohm
möchte es so hell wie möglich, allerdings min 8 stunden leuchten.
Wenn ich da 2 Nichas reinbaue, sind des aber ja nur 40mA die ich verwende, theoretisch gehen doch noch viel mehr, oder irre ich mich da.

Welche LEDs Du verwenden 'sollst' hängt von diversen Rahmenbedingungen ab... insbesondere von der erwünschten/erforderlichen Lichtstärke/Abstrahlwinkel/Leuchtdauer, sowie Größe und Leistung der verwendeten Solarzelle und Akku.

möchte es so hell wie möglich

Dann am besten die effizientesten LEDs verwenden die es gibt: http://www.leds.de/Standard-LEDs/SuperF ... SS-K1.html

Wie viele davon hängt stark von der Solarzelle und dem Akku ab, sowie von der erwarteten/erforderlichen Leuchtdauer bei schlechtem Wetter.
Nehmen wir mal eine Nichia Raijin bei 50mA; Für 8 Stunden wären dann 400mAh erforderlich, die von der Solarzelle bereitgestellt werden müssen. Wenn wir die Conrad-Solarzelle betrachten, dann liefert die an guten Sonnentagen vmtl. etwa 800mAh was ja locker reichen würde. Bei Regentagen ist aber höchstens 20% davon drin, also ca. 150mAh. Das wäre viel zu wenig (sprich Leuchtdauer etwa 3Stunden - außer die Akkus sind vom Vortag noch geladen). Wenn es also auch bei mehreren aufeinander folgenden Regentagen (im Sommer! - im Winter sind die Erträge noch viel niedriger) noch mind. 8 Stunden leuchten soll, dann wären vmtl. 3 solche Solarzellen erforderlich. Allerdings liegt dann der max. Strom bei starker Sonne wohl schon über 200mA was zur Überladung von 2000mAh Akkus führen würde (bei mehreren Sonnentagen hintereinander).
=> Kompromisslösung erforderlich (eine Solarzelle und geringere Leuchtdauer nach mehreren Regentagen) oder eine wesentlich aufwändigere Schaltung (mehr Solarzellen und Laderegler für die Akkus)

Derolyd · Di, 25.05.10, 10:12

Habe mich nun entschlossen eine 12V Variante der "3,6 Volt Schaltung von Qs'Tree mit dne 2 Transistoren" zu bauen.
Habe mir ein 12V 10W Solarpanel besorgt und einen Bleigel-Akku mit 4,5 Ah.
Nun ist nur noch die Frage des Ladereglers.
Wo in der Schaltung baue ich den am besten ein?
Direkt vor die Batterie oder direkt nach der Solarzelle?
Irgendwo muss ich ja meine Schaltung dazwischen einbauen!!
Habe mich für diesen Laderegler entschieden:
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICL ... ROVID=2351

Sailor · Di, 25.05.10, 11:10

Ob Du einen Überladeschutz für den Akku benötigst hängt von den Daten des Solarpanels ab:

Leerlaufspannung uns Spannung im Arbeitspunkt sind maßgebend.

Wenn die Leerlaufspannung zu hoch geht, reicht eine Zener- oder Supressordiode parallel zum Akku als Überspannungsschutz aus.

Derolyd · Di, 25.05.10, 13:22

ok, wie man den Arbeitspunkt dabei bestimmen kann ist mir leider nicht bekannt.
Das Solarpanel das ich verwende hat diese Daten:
Modul Typ: 10 EDI-TRONIC
- Wasserdicht
- Alurahmen
- Anschlussterminal auf der Rückseite
- Schutzbeschichtung
- Wertetoleranz: 5%
- Monokristallin
- Max. Leistung: 10 W
- Nennspannung: 17 V
- Nennstrom: 0.59 A
- Leerlaufspannung: 21,5 V
- Kurzschlussstrom: 0,68 A
- Tagesleistung: 50 W/d
- Zum Verketten: Max. Spannung im System: 1000 V
- Abmessungen: 396 x 289 x 23 mm
- Gewicht: ca. 1,5kg

Sailor · Di, 25.05.10, 13:34

Das Modul kannst Du mit der hier vorgestellten Schaltung nicht für 12 Volt Bleiakkus benutzen.

Die Nennspannung (das ist die Spannung im Arbeitspunkt) ist zu hoch.

Je nach Ladezustand des Akkus müssen zwischen 2,5 und 7 Volt weg. Das kann über einen Shunt-Regler (der verheizt die überschüssige Energie über einen Verbraucher) oder über einen MPP-Regler (der transformiert die Spannung so, dass das Panel immer optimal arbeitet) geschehen.

Die zweite Lösung wäre zwar technisch die bessere, aber preislich nicht im Rahmen der Gesamtanlage ...

Borax · Mi, 26.05.10, 15:08

Naja, zusammen mit dem Laderegler vom R könnte das schon 'hinhauen'. Der Laderegler kommt dann zwischen Solarmodul und Akku; Wie der Laderegler funktioniert weiß ich jetzt nicht. Ist ja kein spezieller Solarregler. Insofern ist die Frage, ob da eine 'Maßnahme' gegen 'Spannungsumkehr' getroffen wurde (das macht die Schottky Diode in Qs'Trees Schaltung. Falls ja, kann man einfach zusätzlich mit einem passenden Spannungsteiler die Spannung am Solarmodul abgreifen und zur Steuerung der LEDs verwenden. Falls nicht, muss die Schottky Diode noch zwischen Solarmodul und Laderegler.

Sailor · Mi, 26.05.10, 15:29

Der sieht mehr als Regler für Lichtmaschinen aus. Da benötigt er keine Schottky-Diode.

Als Regler für ein Windrad würde ich die "Investition" wagen, an der Solaranlage wird er wohl pumpen und die Leerlaufspannung des Moduls liegt 10% über der zulässigen Spannung ...

Ein einfacher Solarregler, der die überschüssige Energie über einen FET verheizt und sicher den Rückstrom verhindert, ist auch nicht viel teurer.

Derolyd · So, 30.05.10, 23:52

Habe nun mal die Schaltung so gezeichnet, wie ich sie gerne aufbauen würde.
Den Laderegler habe ich ausgetauscht, gegen einen Solarladeregler:
http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=44 ... a41e4a17d5
Ich habe nun den Laderegler vor die Schaltung gestellt. Dieser läd den Akku ab 13V Solarpanelspannung bis 13,8V.
oder wo würdet Ihr den Laderegler hinbauen.
Für die Werte der Widerstände habe ich die Kurven des Transistors studiert und bin zur Erkenntnis gekommen, dass dieser:
V(BE sat) = 0,8V
i(b) = 0,8mA damit ein Strom i(c) = 200mA fließen kann, sein müssen.
Die Widerstände der LEDs: [13,8V - (3* 3,2V)] / 0,06A = 70 Ohm
Was meint Ihr, kann das so funktionieren?

Sailor · Mo, 31.05.10, 09:45

Da der Laderegler schon eine Rückflusssicherung bestzt, kannst Du Dir die 1N5819 sparen und den R1 direkt an den Plus Eingang (eingang Solarpanel) anschließen.

Allerdings musst Du vorher prüfen, ob die Rücklaufsicherung (analog der 1N5819) im Regler nicht in der Minus-Leitung sitzt.

Wie Du es gelöst hast geht die Schaltung immer, ohne die 1N5819 hast Du jedoch weniger Verluste.

Borax · Mo, 31.05.10, 13:01

Funktioniert u.U. schon, aber nicht so toll.
Was vielleicht funktionieren würde, ist dieser Schaltplan (praktisch nur Sailors Anmerkung umgesetzt):

: SolarRegler8.png (9.78 KiB) 19108 mal betrachtet

V1 entspricht dem Solarmodul, C1 = Akku. Anstatt der 68Ohm würde ich 75Ohm verwenden - um die LEDs zu schützen wird da eigentlich immer 'aufgerundet'.
Am Poti kann die 'Dämmerungs-Einschaltschwelle' angepasst werden. Ein 250K Poti mittig eingestellt sorgt für ein Einschalten der LEDs wenn am Solarmodul die Spannung unter etwa 3-4V abgesunken ist.
Funktioniert aber nur, wenn der Solar-Regler eine gemeinsame Masse hat (-Pol von Solarmoduleingang und -Pol vom Akku-Ausgang sind verbunden). Außerdem ist da keine Absicherung gegen Tiefentladung vorhanden. Wenn also im Herbst die Tage entsprechend kurz werden, die Nächte umso länger und mehrere Tage hintereinander schlechtes Wetter ist, kann es sein, dass der Akku unter 10V entladen wird was ihm nicht bekommt.
Eine (zugegeben aufwändige) Schaltung die dafür alle Tricks enthält (KSQ-Regelung für die LEDs, regelbarer Tiefentladeschutz, regelbare 'Dämmerungs-Einschaltschwelle' und Solarregler mit einstellbarer Ladeschlussspannung) könnte so aussehen:

V1 + R8 = Solarmodul (R8 ist also nicht Teil der Schaltung!) C1 = Akku; an P3 kann die Ladeschlussspannung eingestellt werden (ein 2.5K Poti mittig eingestellt sollte für eine Ladeschlussspannung von 13.7V sorgen); an P2 kann die 'Dämmerungs-Einschaltschwelle' angepasst werden und an P1 kann man die Abschaltschwelle für den Tiefentladeschutz einstellen: Ein 5K Poti eingestellt auf 2K sorgt für ein Abschalten der LEDs wenn die Akkuspannung unter 11.3V abgesunken ist. R3 und R14 stellen den Strom für die LEDs ein. Bei 10 Ohm fließen etwa 58mA, bei 11 Ohm wären es 53mA (würde ich vorziehen, außer die LEDs sind wirklich gut gekühlt).
In der Simulation kann man das 'Verhalten' sehen (man kann ja die Sekunden etwa auf Stunden übertragen).
An der blauen Kurve sieht man das Abregeln des Solarmoduls sobald die Spannung am Akku (hier C1) auf 13,8V gestiegen ist. Wenn die Spannung am Solarmodul unter 3.5V abgesunken ist, werden die LEDs eingeschaltet. Unabhängig von der Spannung am Akku (grüne Kurve) fließen durch die LEDs immer 57-58mA (rote Kurve). Wenn die Spannung am Akku unter 11.3V abgesunken ist, werden die LEDs abgeschaltet. Sollte die Nacht kürzer sein (Spannung am Akku sinkt nicht unter 11.3V), würden die LEDs natürlich dann abgeschaltet werden, wenn am Solarmodul wieder mehr als 3.5V anliegen, sprich wenn es wieder hell wird.

Derolyd · Mi, 02.06.10, 08:39

Danke an Borax, für die nette schaltung. Werde diese aufbauen und an meinen LEDs testen. Kann man die Schaltung mit den Werten genau so übernehmen?

Ich verstehe manche Werte von Widerständen nicht.
Wie kommst du z.B. auf die 10 Ohm bzw. 11 Ohm an den Dioden?

Ich meine, die Transistoren BC547C brauchen einen Basistrom von 5mA um 100mA Collektorstrom durchzulassen. oder bin ich da falsch??

Und mit welcher Spannung hast du gerechnet? Bei voller Ladung habe ich ja bis zu 13,8V.

Sailor · Mi, 02.06.10, 08:52

Borax hat eine 2-Transtor-KSQ mit eingebaut.

Wie Du im Graphen siehst, hat er die Solarspannung bis 14 Volt ansteigen lassen (blaue Linie).

Die Spannungen sind auch beschrieben, beachte auch die zur Simulation erforderlichen, in der Schaltung aber nicht vorhandenen Bauteile V1 und R8 = Solarmodul und C1 = Akku.

Borax · Mi, 02.06.10, 12:30

Ich meine, die Transistoren BC547C brauchen einen Basistrom von 5mA um 100mA Collektorstrom durchzulassen. oder bin ich da falsch??

Da bist Du falsch. Die BC547C haben eine Stromverstärkung (Hfe) von mind. 400 bei einem Basistrom von 2mA. Das ergibt einen Kollektorstrom von (theoretisch) 800mA.

Kann man die Schaltung mit den Werten genau so übernehmen?

Ja. Die Schaltung ist allerdings bisher nur in der Simulation so 'getestet' (wobei ich quasi alle Einzelschaltungen: Solarregler, KSQ, Dämmerungsschalter, Tiefentladeschutz schon einzeln mit ziemlich genau den angegebenen Werten aufgebaut hatte). Von daher: Keine Garantie! Weil alle Bauteile gewisse Toleranzen haben musst Du auf alle Fälle die Einstellungen an den Potis 'einmessen'. Z.B. das Poti P3 für die Ladeschlussspannung: Theoretisch sollte bei einem eingestellten Wert von 1.25kOhm genau ab 13,72V 'abgeregelt' werden. In der Praxis kann wegen der Toleranzen an R9, R10 und dem TL431 diese anvisierte Schaltschwelle aber auch bei einem Poti-Wert von 1.1kOhm oder 1.4KOhm erreicht werden. Daher MUSS das getestet/gemessen werden.
Bzgl. der 10Ohm/11Ohm Widerstände hat Dir Sailor ja schon den passenden Link gegeben (wie gesagt, ich empfehle 11Ohm).

Und mit welcher Spannung hast du gerechnet? Bei voller Ladung habe ich ja bis zu 13,8V.

Die Akkuspannung (grüne Kurve) liegt in der Simulation zwischen 13.7V und 11,3V

P.S. Die Solarspannung (Wert von V1) ist bis 18V simuliert. Wegen des recht hohen Innenwiderstandes (entspricht in der Simulation dem Widerstand R8) einer Solarzelle 'sieht' man das aber nicht. Der Solarregler (Shunt-Regler) 'verbrät' die Spannung oberhalb von 13.8V zuverlässig, unterhalb dieser Spannung hat der Regler quasi keinen 'Eigenverbrauch', so dass die Leistung der Solarzelle unterhalb der Ladeschlussspannung wirklich 100% in den Akku fließt (bis auf den Verlust an der Schottky-Diode)

Derolyd · So, 13.06.10, 23:02

Hallo,
meine Lampe ist nun fast fertig. Nur noch in ein Gehäuse einbauen.
Schaltung funktioniert einwandfrei.
Optimales einstellen möglich, dank der 3 Potis.
Leider habe ich heute abend noch daran rumbasteln müssen, sodass mir ein Missgeschick passiert ist.
Ich habe die Batterie verkehrt herum angeschlossen, - an + angeschlossen. Die Solarzelle war nicht angeschlossen.
Jetzt funktioniert nichts mehr.
Irgend ein Bauteil hab ich wohl abgeschossen, nur welches?
Habt ihr eine Vermutung, was kaputt gegangen sein kann.
Werde wohl, vorrausgesetzt ich finde den Fehler, nächste Woche mal ein paar schöne Bilder hier hochstellen.

Borax · Mo, 14.06.10, 09:32

Schön, dass die Schaltung auch in der Realität so funktioniert, wie ich sie geplant hab

Schade, dass sie gerade 'gestorben' ist. Vermutlich ist die Schottky-Diode (1N5818) hin, möglicherweise auch der Leistungstransistor (BD241). Ob der Referenz-Regler (TL431) überlebt hat, weiß ich nicht (denke schon, aber deren internen Aufbau kenne ich nicht gut genug, um das sicher sagen zu können - im Zweifelsfall auslöten, einzeln testen und ggf. austauschen).

Ich würde als erstes mal die Schottky-Diode raus nehmen und prüfen ob die LEDs und KSQs noch sauber funktionieren. Falls nicht, dann am besten gleich alle Transistoren austauschen. Die kosten ja nur ein paar Cent und können bei so einer Aktion auch 'halb' kaputt gehen, so dass es vielleicht eine Zeit lang läuft und dann gibt es irgendwelche unerklärlichen Ausfälle.