Solarenergieanlage für 12V 

(eigentlich haben diese Seiten hier nicht unbedingt direkt etwas zu suchen. Aber es gab im letzten Jahr viele Anfragen zu diesen Seiten und zu Supertex Bausteinen. Daher wurden die Seiten hier übernommen) 
Eine 12Volt Schaltung mit Dämmerungsschalter und Ansteuerung für Luxeon LED's

Wie fing alles an?
Nun ja, zuerst waren es vor Jahren die kleinen Solarlämpchen für den Garten, die mich begeisterten. Mit jedem Jahr werden diese zwar besser, aber von Beleuchtung kann man da nur in einem begrenzten Umfang sprechen. Jedes Jahr habe ich daher ein paar Solarlampen für den Garten gekauft, aber weder Dauer der Beleuchtung, noch die Intensität konnten mich bisher zufrieden stellen.

Hartnäckig fallen diese Solarlampen dann auch noch regelmäßig aus, einmal die Batterie, einmal die LED, dann ein Transistor oder die LDR. Ich habe schon die verschiedensten Ausführungen repariert bevor diese auf den Müll geworfen wurden, da zuletzt die vergossene Solarzelle keine Leistung mehr hatte.

Was sieht es heute aus?
Alle Elemente einer 'Insel'Solaranlage, für eine bessere Außenbeleuchtung in den Abendstunden als mit Solar Gartenlampen, wurden angeschafft.
 

Solarpanel für 12 Volt Inselanlagen kann man in verschiedenen Leistungen beziehen. Hier gibt es im Internet vieles an Informationen zu Ausführungen und Leistungen der Solarpanel zu finden. Vielfach findet man auch Berechnungsgrundlagen für benötigte Leistung, für die Standorte, Winkel, und Ausrichtungen im Verhältnis zu den Leistungen der Panel, die man sich im Detail betrachten sollte.
Nicht immer sind die Angebote bei Ebay wirkliche Schnäppchen. Ich habe, nach verschiedensten Internetrecherchen, ein amphores 14Wp Solarpanel, sowie passenden 12V Laderegler bei Reichelt Elektronik in Sande (www.reichelt.de) bestellt und mir eine Autobatterie mit 44Ah dazu besorgt.
Ein 12/14Wp Solarpanel bringt im Mittel eine tägliche Leistung von 50-60Watt bei einer mittleren Sonnenscheindauer von 4 Stunden. Das sind bei 12V und 1 Ampere Laststrom so ca. 4 Stunden Betriebsdauer eines Verbrauchers.  Hört sich viel versprechend an, aber wenn es im Winter doch ein mal ein paar Tage trübe ist, dann muss man unbedingt darauf achten die Batterie nicht unter ca. 11Volt zu entladen.
Also gehören zwischen Batterie und Verbraucher auch unbedingt ein Akkuwächter, den ich mir dann nachträglich besorgt habe.
Ein kostengünstiges Entladeschutzmodul anstelle des Ladereglers, damit die Batterie bei Dunkelheit nicht über das Panel entladen wird, ist nur bedingt zu empfehlen.
Panel vorhanden, Batterien sind voll geladen und die Lampen an ...
Für eine Gartenbeleuchtung kommen u.a. Leuchtdioden (LED's) und ggf. auch Kaltkathodenröhren(CCFL's), die z.B. für Case Modelling oder in Scannern verwendet werden, in Betracht. Im Internet findet man verschiedene LED Shops, die eine Übersicht geben. Je nach Auswahl und Aufwand gibt es dazu verschiedenste Treiberschaltungen und Konvertermöglichkeiten.
3 Watt Kaltkathodenröhren mit ca. 10cm Länge sind in den verschiedensten Farben, u.a. auch in warmweiß, erhältlich. Mit einem Konverter können oftmals zwei Röhren gleichzeitig direkt an 12 Volt betrieben werden. Einfach anschließen und Sie werden sich wundern, wie viel Helligkeit diese kleinen Röhren abgeben. Zwei Röhren mit einem passenden Konverter kosten ca. 10-12€. Im Handel für Campingbedarf oder KFZ Zubehör gibt es für 12 Volt auch kostengünstige Leuchten mit ca. 6-24 Watt.

Eine andere Alternative sind 12 Volt LED Cluster, die es z.B. als MR16 LED Spots oder auch mit E27 Sockel (mit 15-20 LED's und wahrscheinlich auch mehr) gibt. Je nach Qualität der Elektronik  (manche haben scheinbar nur einen Gleichrichter), Ausführung der verwendeten LED's, sowie der Anzahl der LED's in einem Cluster, kosten diese Cluster ca. 8-20€ je Stück. Auch hier einfach direkt an 12 Volt anschließen. Ein Vorteil: neben der hohen Lebensdauer kann man sich dazu auch noch Lampen mit den passenden Sockeln in jedem Baumarkt aussuchen.

Luxeon LED's mit 350mA (und mehr) an 12 Volt betreiben
Ich habe mich für die sehr interessanten Luxeon LED's entschieden, die derzeit mit 1,3 und 5 Watt und in verschiedenen Formen und mit unterschiedlichen Optiken angeboten werden. Eine LED hat bis zu 5 Watt,muss dann aber gekühlt werden.
Die 1 Watt Ausführungen sind u.a. mit 10 Grad Optik und Kühlblech als Modul erhältlich. Diese Ausführungen werden mit ca. 350 mA bei 3.4 Volt betrieben. Interessant: Für etwa 10-13€ gibt es u.a. für die 1 Watt Ausführung auch günstige Konverter, mit der man 3 Luxeon LED'S an 90V bis 240 Volt Wechselspannung betreiben kann. Ca. doppelt so teuer ist ein Step Up Wandler, der aus 2 Batterien a 1.5 Volt für eine Luxeon LED den benötigten Strom von ca. 330 mA erzeugen kann.

Wer sich für die verschiedensten Möglichkeiten der LED Ansteuerungen (oder auch z.B. für Vampierschaltungen, die den letzten Saft aus einer Batterie saugen oder eine Fahrradbeleuchtung mit Luxeon LED's) interessiert, sollte sich die Seiten von
Herrn Kainka: http://www.b-kainka.de/bastel36.htm, von
Herrn Haug: http://www.led-treiber.de , oder auch beim Hersteller der von mir verwendeten
Supertex IC's  http://www.supertex.com anschauen.

Nur mal kurz zur Technik des Supertex Bausteins. Das IC besitzt einen Oszillator und regelt den Strom über eine Spule. Interessant zu beobachten ist bei der Schaltung die Reglung des größer werdenden Stroms mit geringerer Versorgungsspannung zusammen mit der sich verändernden Schaltfrequenz des MOSFET's.

Um den jetzt von der Sonne ständig 'voll' geladenden Akku effektiv zu nutzen, und aus Interesse an dem Supertext Baustein HV9910, um ggf. einen Piezo damit anzutreiben, habe ich mich entschieden eine kleine Schaltung und ein Layout für meine Bedürfnisse zu entwerfen.
Schaltung für 12Volt mit Dämmerungsschalter, Luxeon LED Betrieb, mit Anschluss für ein günstiges Digitalvoltmeter zur Überwachung des Bateriezustandes

Natürlich hätte ich alle notwendigen Module auch irgendwo einzeln erwerben können, doch der einfache Aufbau einer getakteten Schaltung mit dem Supertex Baustein läßt viele Alternativen zu, die es wert sind zu testen und zu spielen...

Was brauchte ich:

Die Schaltung:
Ich übernehme keine Garantie, Gewährleistung oder Haftung für die Schaltung oder das Layout.


Bei Dämmerung
Die Schaltschwelle kann über das 1M Poti eingestellt werden. Der Komparator mit Hysterese LM358 hat am Ausgang mit zunehmender Dunkelheit eine höhere Spannung und versorgt damit die Gates der FET's über die Dioden. Die Dioden dienen zur Entkopplung, da die Gates auch über einen Schalter an den Anschlussklemmen 3-4 die selbstsperrenden N Kanal FET'S durchschalten können. Die von mir verwendeten BUZ11 sind sicherlich überdimensioniert, aber günstig.
Die Verbraucher (12 Volt Lampen oder wie z.B. auch die Supertex Schaltung mit den Luxeon LED's) können jeweils an PIN 1 und 2 der Buchsen angeschlossen werden. Hinweis: die Verbraucher nicht auf Masse legen!
Bei Verwendung der LED Treiber Schaltung ist die Polarität zu beachten, also Anschlussklemme Pin 1 ist mit Eingangspin1 der LED Schaltung und Pin 2 mit Pin 2 zu verdrahten.

Der LED Buck Boost Treiber
Die Schaltung nie ohne angeschlossene LED's betreiben und die richtige Polung der LED's ist zu beachten. Es können zwei oder drei Luxeon LED's in Reihe betrieben werden. Spielen Sie mit der Schaltung. Hilfe zu Berechnungen für Treiber bis 2 Ampere oder mit 220 V Wechselspannung  finden Sie bei www.supertex.com. Die obige Schaltung ist nach der Appl. Note AN-H50 aufgebaut und besitzt eine Wirkungsgrad von ca 85%.
Die Parallelschaltung der Widerstände R12 und R 13 ergeben in etwa den erforderlichen Widerstand von ca. 0,63 Ohm für die Spannung am CS Eingang des IC's.

Den erforderlichen 86KOhm Widerstand für den Oszillator kann man aus zwei Widerständen zusammensetzen. Die Helligkeit lässt sich über den LD(HD) PIN des Supertex IC's regeln. Die Referenzspannung wird im IC erzeugt und ist durch den 150 kOhm Widerstand auf ein wenig mehr als max 250mV für den LD Eingang regelbar. Interessierte Bastler sollten sich mal die Frequenzänderungen am Gate des FET's ansehen, wenn die Spannung am LD Pin verändert wird oder auch z.B. mal bei Änderungen der Eingangsspannung die Frequenz- und Stromänderungen beobachten.
Bei der Auswahl von Spulen ist in jedem Fall immer der Sättigungsstrom der Spulen zu beachten. Bei dieser Schaltung liegt der Spitzenstrom bei ca. 750 mA! Daher werden mit zunehmender Leistung die Spulenkörper auch immer größer werden.

! Wichtiger Hinweis: Für die direkte Ansteuerung des MOSFETs sind nur FET's geeignet mit einer Eingangskapazität kleiner 500 pF. Ein BUZ11 (mit RDS= 0,03Ohm, von mir für das Schaltplansymbol verwendet) entspricht nicht den Anforderungen wie z.B ein IRFL014 (RDS=0,2Ohm) o.ä.

Ein galvanisch getrenntes Voltmeter, ein DC/DC Wandler
Ein günstiges Digitalvoltmeter-Modul mit 0-200mV Eingang (LDP135) gibt es bei Reichelt für ca. 7€. Ein analoges Instrument ist meistens teurer! Der Stromverbrauch des Minivoltmetermoduls liegt bei 9 V bei ca. 1mA (Modul ist ohne Hintergrundbeleuchtung) . Da die Spannungsversorgung nicht über eine 9V Blockbatterie erfolgen sollte habe ich für die galvanische Trennung einen DC/DC Wandler von 12V nach 9V im Layout berücksichtigt. Vorsicht: viele DC / DC Wandler sind ungeregelt, daher kann es zu höheren als den angegebenen Ausgangsspannungen kommen. Ich habe zur Sicherheit für max. 13.6 Volt Eingangsspannung und 1mA Ausgangsstrom einen 1KOhm Widerstand vor das Modul geschaltet.
Da der DC/DC Wandler alleine schon 20 mA (das sind etwa 5Watt in 24 Stunden) verbraucht, kann ein Taster dazwischengeschaltet werden. Leider schlägt der DC/DC Wandler mit 5 € zu Buche. Zusammen mit dem Voltmetermodul ist es etwas teuerer als ein einzelnes, analoges Instrument.

Schaltplan und Layout im Eagle Format ?
Dann senden Sie einfach ein Mail j.hulzebosch@gms2000.de . Dieses gibt es von mir kostenlos. Natürlich ohne Garantie.