Abschaltung eines PV Modul mit Mosfet

[Ritschel (Gast)]

Guten Tag.


Ich möchte ab ca 25,5 Volt (28 Volt) die Batterieladung über das PV 
Modul abschalten.
Bei ca 25 (27 Volt) Volt wieder einschalten.
Das PV Module liefert die maximale Leistung bei 29  Volt.
Somit habe ich für einen Laderegler wenig Spannung zur Regelung.


Der Operationsverstärker arbeitet hier als invertierender 
Schmitt-Trigger.
Über das Poti kann ich die Ein/Abschaltschwelle verschieben.
Wird ein Relais (mit Verstärkung über Transistor)  anstatt des Mosfet 
eingesetzt funktioniert die Schaltung.

Nun wollte ich das Relais durch den Mosfet ersetzen.

Auf der rechten Seite sind 2 Schaltbilder die beide nicht funktionieren.

1.Problem (Schaltung rechts oben)

Solange die Batterie geladen wird ist alles o.k.
Der Mosfet bleibt kalt bei  einem Strom von ca 8,1 Ampere.
Erreicht die Spannung 25,5 Volt schaltet der Operationsverstärkerausgang 
auf 0 Volt. Somit müßte der Mosfet nicht leitend werden.
Das passiert nicht da mit Abschalten die PV Spannung (leerlauf)steigt 
und somit am Drain Eingang des Mosfet eine negative Spannung anliegt.
Der Mosfet wird heiß.

2. Problem (Schaltung unten rechts).
Die Schaltung funktioniert bei geringen Strömen bis ca 50 mA vom PV 
Modul.
Bei höheren Strömen:
Das Abschalten funktioniert einwandfrei.
Leider funktioniert das einschalten nicht . Der Mosfet wird sofort heiß 
Zwischen Gate und Source messe ich  0,8 Volt  bei 8 Ampere.
Zwischen Gate und Source sind 8,1 Volt zu messen.

Nun meine Frage : Wo liegt der Fehler in der unteren Schaltung ?


Gruß Ritschel

[Helge A. (besupreme)]

Die Ansteuerung ist sehr hochohmig aufgebaut. Hast du das gleiche 
Verhalten auch, wenn du die 2,5k gegen 1k tauschst? Und die 47k gegen 
27..33k?

Ich würde auch den OK-Empfänger von der Solarzelle versorgen statt aus 
dem Akku. Kommt keine Sonne, brauchst du nit einschalten ;)

[Ritschel (Gast)]

Hallo Helge A.

Danke erstmal für Deine schnelle Antwort.

Ich habe die 2,5 k Ohm gegen 1 k Ohm ersetzt.

Die  Spannung am Optokoppler PC 817  Emitterausgang ist jedoch fast 
identisch geblieben bei 25,7 Volt.

Dem 47 k Ohm Widerstand habe ich einen 100k Ohm Widerstand 
paralellgeschaltet.
Das sind  ca 31 k Ohm.
Die Drain Source Spannung ist unter Last  auf 0,4 Volt zurückgegangen
(vorher 0,8 Volt) .
Das ist ein kleiner Erfolg. Trotzdem wird der IRLU 024 N heiß.

im 2. Versuch
Den 47 k Ohm Widerstand mit einem weiteren 47 kOhm Widerstand 
paralellgeschaltet ( 100 k Ohm entfernt).Das ergibt 23,5 k Ohm
Leider keine Änderung die 0,4 Volt Drain Source  bleiben bei einem Strom 
von 8,1 Ampere.


Ich hatte gelesen das der IRLU 024N ein Logik Level Mosfet ist.
Das bedeutet doch das er bei 5 Volt Gate Source voll durchschaltet.

Ich habe den Mosfet auch in weiteren Schaltungen (mit 5 Volt Ansteuerung 
) bereits verbaut und dort wird er bei höheren Strömen nicht warm.



Deshalb nochmals die Bitte , was mache ich falsch.


P.S : Der Vorschlag  die Spannung für den den Optokoppler (Collector) 
vor der Diode abzugreifen werde ich noch umsetzen.
Somit könnte ich auch die Diode entfernen.




Gruß Ritschel

[Anon Y. (anonymous)]

Du hast Source und Drain bei der zweiten Möglichkeit vertauscht. Wenn du 
dir die Dioden, auch die intrinsische, anschaust und den Mosfet weg 
denkst, erkennst du das Problem.

Du kannst in der zweiten Version genau so schalten wie in der ersten. 
Und bedenke, die Gatespannung ist nie absolut, sondern immer als 
Potential gegenüber Source zu sehen. Ich male mir für so etwas immer die 
Spannungen auf oder bemühe circuitlabs.com

[Ritschel (Gast)]

Hallo Anon Ymous.


Source und Drain vertauscht ???

Kannst du mir das genauer erklären , das versteh ich noch nicht.

Die erste Schaltung kann nicht funktionieren , da ich hier Source und 
Drain vertauscht habe.
Das kann ich nachvollziehen, habe ich auch geschrieben.

In der 2 . Schaltung habe ich Source und Drain getauscht und es 
funktioniert auch nicht . Den Mosfet habe ich zwischenzeitlich ersetzt.

Deshalb meine bitte, es mir nochmals genau zu erklären.
Ich messe jetzt mal die Spannungen und trage die in das Schaltbild ein.


Gruß Ritschel

P.S:  "circuitlabs.com "  ist die Seite korrekt ?
Ich werde auf eine Seite senselabs geroutet.

[Helge A. (besupreme)]

Dein Mosfet verhält sich genau so, wie es die Kurven im Datenblatt 
vorhersagen: rot=Strom, orange=Spannungsabfall. Der wird dann natürlich 
warm.

Schaltest du jetzt 2 Stück davon parallel, ergäben sich ungefähr die 
grün und blau eingezeichneten Werte.

Auch wenn so ein Bauteil als logic level beworben wird, lohnt sich ein 
genauerer Blick ins Datenblatt: U(gs) hat bei diesem Baustein den 
geringsten Durchgangswiderstand bei 15V Gatespannung.

[Ritschel (Gast)]

Hallo Helge A.

Du hast Recht .
Ich habe vollkommen die Multiplikation vergessen.
8*0,08 sind bereits 0,64 Volt    (Ampere * Innenwiderstand = Spannung)


Danke für die Lösung



Ich kann versuchen 3 Stck parallel zu schalten.
Da aber der Strom und die Spannung schwankt wird das sicherlich 
schwierig das  alle  3 den selben Strom erhalten.

Oder einen Typen mit geringeren RDs zu finden.

[blubber (Gast)]

Da ein PV- Modul eine Stromquelle ist würde ich das Modul einfach 
kurzschließen mit 1 Leistungsmosfet.  Brauchst dann nur noch eine Diode 
damit dein Akku über den Mosfet nicht entladen wird. Je nach 
Ladeschaltung haste die Diode auch schon. Du könntest auch die Spannung 
bzw. Strom über den Mosfet regeln sofern die Verlustleistung noch 
geht...

[Anon Y. (anonymous)]

Hi Ritschel,

dann hattest du das Problem anscheinend schon gesehen und deswegen 
Source und Drain vertauscht. Mein Fehler.

Die Seite heißt
https://www.circuitlab.com/accounts/login/?next=/workbench/

Gesättigte Mosfets parallel schalten geht problemlos.

Besser wäre es, einen Mosfet mit geringem R_DS_on zu kaufen. 1mΩ FETs 
sind nichts besonderes mehr.

Kurzschließen finde ich persönlich nicht gut, da vielleicht irgendwann 
jemand eine Spannungsquelle statt der Solarzelle anschließt.

Im Interesse einer langen Lebensdauer der Schaltung würde ich über der 
Solarzelle noch eine Freilaufdiode schalten. Das mache ich bei allen 
geschalteten Eingängen. Hintergrund ist die Zuleitungsinduktivität und 
EMI.

[Ritschel (Gast)]

Hallo blubber .

Ich möchte nicht kurzschließen. Dann muß das Modul (250 Wp) den 
Kurzschlußstrom bei entsprechender Hitzeeinwirkung verarbeiten.
Montiert ist auf einem Tonziegeldach jedoch tiefer geht es in ein 
Flachdach mit Bitumenbahnen über.
Regeln möchte ich nicht. Die Leistung wäre zu hoch.


Hallo Anon Ymous


Danke für den Tip mit der Freilaufdiode.

Ich finde bei Reichelt leider keinen Mosfet mit R_DS on von 0,001 Ohm 
und 55 Volt 10 Ampere.

Ich habe nur den IRLU3705Z gefunden. Der hat jedoch 0,008 Ohm

Gibt es bei Reichelt eine Alternative ?


Gruß Ritschel

[Helge A. (besupreme)]

Wenn 30V reichen, IRLU8721. Dann hast du noch 0,5W Verlustleistung im 
Transistor, das ist 10% von dem, was deine Diode verheizt.

[NitraM (Gast)]

Ritschel schrieb:
> Ich möchte nicht kurzschließen. Dann muß das Modul (250 Wp) den
> Kurzschlußstrom bei entsprechender Hitzeeinwirkung verarbeiten.
> Montiert ist auf einem Tonziegeldach jedoch tiefer geht es in ein
> Flachdach mit Bitumenbahnen über.

Ob du kurzschließt oder öffnest ändert nichts an der Leistung.
0V mal xA = 0W
XV mal 0A = 0W

Gruß nitraM

[Anon Y. (anonymous)]

NitraM schrieb:
> Ob du kurzschließt oder öffnest ändert nichts an der Leistung.
> 0V mal xA = 0W
> XV mal 0A = 0W
>
> Gruß nitraM

Das stimmt so nicht:
http://www.photovoltaikforum.com/pv-module-f2/was-passiert-einem-modul-bei-kurzschluss-t139.html

[Kugelblitz (Gast)]

5 Volt sind ein bissel wenig Betriebsspannung für den 324 wenn du damit 
einen n-mos schalten  möchtest.

[Mike (Gast)]

Ritschel schrieb:
> Ich möchte nicht kurzschließen. Dann muß das Modul (250 Wp) den
> Kurzschlußstrom bei entsprechender Hitzeeinwirkung verarbeiten.

Du überschätzt den Wirkungsgrad deiner Solarzellen. Der Strom sind 
sowieso meist deutlich weniger als 20% der Leistung. Der Rest ist 
sowieso Wärme.

[Ritschel (Gast)]

Hallo Kugelblitz

Der LM 324 steuert den Optokoppler .
Am Ausgang des Optokoppler(Phototransistorseite) stehen so ca 24-27 Volt 
zur Verfügung.
Diese Spannung wird noch durch den Spannungsteiler reduziert.
Der Spannungsteiler ist jetzt 18 K zu 18 K.
Somit habe ich ca 12 -13,5 Volt U_GS.
Das reicht zum durchsteuern .


Hallo Mike.

Ich verstehe schon was du meinst , möchte jedoch einen Brand der Module
ausschließen. Bei Kurzschluß fließt immer ein Strom.


Ich versuche gerade noch die Leistungsdiode einzusparen.
Die wird schon gut heiß.
Hat jemand eine Idee ?


Gruß Ritschel

[Achim S. (Gast)]

Anon Ymous schrieb:
>> Ob du kurzschließt oder öffnest ändert nichts an der Leistung.
...
>
> Das stimmt so nicht:
> 
http://www.photovoltaikforum.com/pv-module-f2/was-passiert-einem-modul-bei-kurzschluss-t139.html

Doch, das stimmt genau so.

Wenn keine elektrische Leistung entnommen wird, dann wird die gesamte 
eingestrahlte Leistung in Wärme umgesetzt. Weder im Leerlauf ("Modul 
abgeschaltet") noch im Kurzschluss wird elektrische Leistung entnommen. 
An der Energieerhaltung ändert auch diese Diskussion im 
photovoltaikforum nichts.

Das passende Ersatzschaltbild einer Solarzelle ist eine Diode parallel 
zu einer Stromquelle. Die Stromquelle wird gespeist von Ladungsträgern, 
die durch Photonenabsorption freigesetzt werden. Wenn die externen 
Anschlüsse offen bleiben, dann treibt die Stromquelle die Spannung so 
weit nach oben (Leerlaufspannung), bis der Strom über die Diode fließt. 
Die absorbierte Sonnenenergie, die Ladungsträger freigesetzt hat, wird 
so letztlich auch wieder in Wärme umgesetzt.

Wenn man die elektrische Energie entnimmt bleibt das Modul ein wenig 
kühler (allerdings nicht viel kühler, da über 80% der eingestrahlten 
Energie sowieso als Wärme das Modul aufheizen).

Ritschel schrieb:
> Ich verstehe schon was du meinst , möchte jedoch einen Brand der Module
> ausschließen. Bei Kurzschluß fließt immer ein Strom.

Im Betrieb der Module fließt fast der selbe Strom. Wenn im 
Kurzschlussfall Brandgefahr besteht, dann besteht sie auch im 
Normalbetrieb.

[Helge A. (besupreme)]

Ritschel schrieb:
> Ich versuche gerade noch die Leistungsdiode einzusparen.

Das geht, ist aber etwas Schaltungsaufwand: Ein zusätzlicher Mosfet kann 
als aktiver Gleichrichter Verlustleistung einsparen.

[Nitram L. (nitram)]

Ritschel schrieb:
> Ich verstehe schon was du meinst , möchte jedoch einen Brand der Module
> ausschließen. Bei Kurzschluß fließt immer ein Strom.

Das Solarzellen sind Stromquellen... Da brennt nichts wenn die 
kurzgeschlossen werden. Die umgesetzte elek. Leistung geht gegen Null.
Warm werden die Dinger durch die Sonneneinstrahlung.


Anon Ymous schrieb:
> Das stimmt so nicht:
> http://www.photovoltaikforum.com/pv-module-f2/was-passiert-einem-modul-
> bei-kurzschluss-t139.html

Und die die Welt ist eine Scheibe... :-) Da lassen sich bestimmt einige 
Seiten im Internet finden wo das behauptet wird...

@Achim S. (Gast): gut erklärt...

[Ritschel (Gast)]

Hallo Achim S. und Martin L.

Ich dachte bisher das ich das Modul zwar Kurzschliesse , den 
Generatoreffekt jedoch nicht aufhebe.
Die Zellen bzw Leiterbahen haben doch auch einen Widerstand und ich ging 
davon aus das die Leistung wenn auch etwas weniger als das Maximum dann 
im Generator verheizt wird.


Hallo Helga A.

Danke für die Lösung mit dem 2. Mosfet.

Ich verstehe nur eine Sache dabei nicht.
Der rechte Mosfet wird doch bei Solarbetrieb verkehrt herum betrieben ?



An alle

Ich stelle jetzt mein korrigiertes Schaltbild ein.

Ich habe noch eine zusätzliche LED als Anzeige eingebracht.
Durch die LED ist noch ein Fehler aufgefallen.


Der Fehler tritt jedoch nur an der Solaranlage auf.
Mit einem Schaltnetzteil am Schreibtisch kann ich den Fehler nicht 
reproduzieren.
Beim Übergang zum Abschalten gab es nun einen Zwischenzustand.
Die gemessene Spannung am Operationsverstärker  war 0,33 Volt, die LED 
leuchtet minimal.
Der Fehler wäre der Tod der Mosfet geworden.
Ich vermute das  die an die Batterien angeschlossenen Schaltregler hier 
Störungen auf die Batteriespannung  liefern und der OP schnell seinen 
Zustand wechselt.

1. Lösungsansatz

Ich habe nun einen 10 uF Kondensator eingesetzt.

Die Widerstände des Spannungsteiler /Poti habe ich reduziert ,
so kann die Abschaltspannung besser eingestellen.


Nun werden die Batterien im Bereich des Abschaltzustand immer getaktet
geladen ( ca 0,3 bis 2 hz).

Ob das gut bzw Sinnvoll ist muß ich erst einmal nachlesen.


Gruß Ritschel

[Helge A. (besupreme)]

> Ich verstehe nur eine Sache dabei nicht.
> Der rechte Mosfet wird doch bei Solarbetrieb verkehrt herum betrieben ?

Das ist der Trick. Synchrongleichrichter betreiben den Mosfet 
"falschrum".


> Beim Übergang zum Abschalten gab es nun einen Zwischenzustand.
> Die gemessene Spannung am Operationsverstärker  war 0,33 Volt, die LED
> leuchtet minimal.

Vermutlich ist dieser Zwischenzustand ein sehr schnelles Schalten. Das 
kann mehrere Ursachen haben:

Im TI-Datenblatt ist die Ausgangsspannung nur bei Belastung ab 1mA 
angegeben, das wird bei dir ohne Optokoppler nit erreicht. Wenn die 
Spannung schwankt, kann das die Schaltschwellen beeinflussen.

Ist die Impedanz der Last (Akkus und Zuleitung) zu hoch, könnten deine 
Schaltschwellen zu knapp sein.

[Achim S. (Gast)]

Ritschel schrieb:
> Ich dachte bisher das ich das Modul zwar Kurzschliesse , den
> Generatoreffekt jedoch nicht aufhebe.
> Die Zellen bzw Leiterbahen haben doch auch einen Widerstand und ich ging
> davon aus das die Leistung wenn auch etwas weniger als das Maximum dann
> im Generator verheizt wird.

du hast ja keine externe Energiequelle am Modul außer der 
Sonnenstrahlung. Wenn du keinerlei Energie abführst heizt sich das Modul 
maximal auf. Wenn du etwas Energie abführst (die zum Beispiel im 
Zuleitungswiderstand verheizt wird), reduziert das die Aufheizung des 
Moduls (geringfügig). Aber mit einem perfekt Kurzschluss oder beim 
perfekten Leerlauf führst du keine Energie ab.

Kritisch könnte sein, wenn du das Modul "halb" kurzschließt. Dadurch 
heizt sich zwar das Modul nicht weiter auf, aberder FET, mit dem du das 
Modul "halb"-kurzschließt, wird heiß. Deshalb muss deine Schaltung so 
ausgelegt sein, dass sie sowohl den Kurzschlussstrom als auch die 
Leerlaufspannung in jedem Fall problemlos verkraftet.

Ritschel schrieb:
> Nun werden die Batterien im Bereich des Abschaltzustand immer getaktet
> geladen ( ca 0,3 bis 2 hz).

Na ja, das ist ein Stück weit das Prinzip deiner Schaltung, oder? Erst 
hast du das Modul abgeschalten und die Batteriespannung liegt unter der 
Schwelle. Deshalb schaltest du das Modul ein und durch den Ladestrom und 
den Innenwiderstand der Batterie/der Leitungen steigt die Spannung über 
die Schwelle. Also schaltest du wieder aus. Weil der Ladestrom wegfällt 
sinkt die Spannung unter die Schwelle. Und so läuft es immer weiter.

Wie Helge richtig schreibt ist das ohne den 10µF wahrscheinlich sehr 
schnell passiert, so dass du den zeitlichen Mittelwert 0,33V abliest. 
Mit dem 10µF dauert es jetzt immer ein Weilchen, bis die geänderte 
Spannung am Komparatoreingang ankommt, und die Ladung läuft getaktet im 
Hz-Bereich.

Die Hysterese am Komparatoreingang beträgt nur 50mV, an der Batterie 
also ca. 500mV. Bei 8A Ladestrom braucht es nur 62mOhm Innenwiderstand 
damit die Ladeschaltung oszilliert.

[Ritschel (Gast)]

Hallo Helge A.


Danke für die Aufklärung zum Synchcrongleichrichter.

Eine Frage dazu habe ich noch.
Kann ich den Schaltungsaufbau auch drehen.

Vom PV Modul aus gesehen erst den Synchcrongleichrichter und dann die 
Abschaltung.



Die Zuleitungen zur Batterie sind ca 2 Meter mit 2,5 mm².
Seperate einzelne  Leitungen. Das wird nicht viel sein mit der Impedanz.
Eine Aussage über die Batterien kann ich schwer treffen.
12 Volt Gel Batterien . Davon 2 in Reihe für die 24 Volt.


Der Schaltaufbau mit den 10 uF funktionierte heute sehr gut.
Die Batteriespannung blieb im Bereich 25,2 bis 25,7 Volt.
Die beiden parallelgeschalteten Mosfet wurden nur warm.



Gruß Ritschel

P.S: Mit welchen Programm erstellt Ihr die tollen Zeichnungen ?

[Helge A. (besupreme)]

Ritschel schrieb:
> Kann ich den Schaltungsaufbau auch drehen.

Das könnte funktionieren, der Aufbau wird dann aber komplizierer. Macht 
wenig Sinn.

> Mit welchen Programm erstellt Ihr die tollen Zeichnungen ?

Eagle. Light-Version ist freeware. Gibt aber noch hundert andere.