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Bild 1: Verlauf des Ausgangsstroms in Abhängigkeit der Ausgangsspannung bei einer Solarzelle S-70C  von Solec. Eine Solarzelle liefert die maximale Ausgangsleistung, wenn die Ausgangsspannung eine relativ konstante Spannung, genannt UMPP, ist.

Bild 1: Verlauf des Ausgangsstroms in Abhängigkeit der Ausgangsspannung bei einer Solarzelle S-70C von Solec. Eine Solarzelle liefert die maximale Ausgangsleistung, wenn die Ausgangsspannung eine relativ konstante Spannung, genannt UMPP, ist.Linear Technology

Betrachtet man den Leistungsverlauf einer realen Solarzelle, sollte die Bedeutung der Erzeugung von Leistung aus einer Solarzelle bei UMPP (siehe Bild 1) nicht unterbewertet werden. Die Daten in Bild 1 wurden mit einer automatisierten Last innerhalb einer Minute an einer Solarzelle gesammelt, in direktem Sonnenlicht. Wie die Kurve zeigt, kann bei einer unkontrollierten Last die Ausgangsleistung in direktem Sonnenlicht irgendwo zwischen 2 W und 47 W liegen. Wenn es möglich wäre, die Ausgangsspannung der Solarzelle konstant bei rund 13 V zu halten, könnte man sicher sein, dass die maximale Leistung für den Verbraucher verfügbar wäre. Aber, wie kann man diese Aufgabe bewerkstelligen?

Optimieren der Leistung einer Solarzelle

Eine MPPT-Schaltung (maximum peak power tracking) variiert vornehmlich die Stromlast, um die Spannung bei UMPP zu halten. Das vom LTM8062 gebotene MPPT ist eine einfache Lösung, die über einen einzigen Widerstand einstellbar ist, um sicherzustellen, dass die maximale Leistung stets – auch unter stark variierenden Lichtverhältnissen – an den Verbraucher geliefert wird. Die Wirkung der MPPT-Schaltung wird am besten dadurch demonstriert, dass man die Ausgangsleistung von zwei identischen Konfigurationen einer S-70C-Solarzelle von Solec, einmal mit aktivierter MPPT und einmal ohne vergleicht. Letztere wird implementiert, indem man den UINREG-Pin des LTM8062 auf UIN zieht.

Energiespeicherung: Vergleich der Komponenten und Konfiguration der Schaltung

Der LTM8062 ist ein schaltender, abwärts regelnder Batterieladebaustein mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CC/CV) und hohem Wirkungsgrad, der mit Eingangsspannungen zwischen 4,95 V und 32 V arbeitet. Die vom Anwender programmierbare Schwebespannung (Nominalspannung) der Batterie bis zu 18,8 V erlaubt es, gekapselte Bleiakkus mit bis zu 8 Zellen, vierzellige Li-Ionen- oder Li-Polymer-Batterien sowie fünfzellige LiFePO4-Batterien zu unterstützen. Wie bereits erwähnt, treibt diese Schaltung den LTM8062 dazu, den Ladestrom der Batterie automatisch mit bis zu 2 A zu verringern oder zu erhöhen, um die maximale Ausgangsleistung aus der/den Solarzelle(n) zu erzielen. In den meisten Basisanwendungen benötigt der LTM8062 zum Betrieb nur drei externe Komponenten. Dies ist wenig, verglichen mit den 15 bis 30 Komponenten, die eine traditionelle, diskret aufgebaute Lösung benötigt.

Der Ladevorgang ist nach einer vom Anwender einstellbaren Zeitspanne abgeschlossen und endet oder der Ladestrom fällt, mit einer Genauigkeit der Batteriespannung von 1,5 Prozent über den gesamten Betriebstemperaturbereich, auf einen minimalen Schwellwert (200 mA) ab. Zwei Zustandsanzeigen mit offenem Kollektor, CHRG und FAULT, eignen sich zum Einsatz mit LEDs für visuelle Informationen. Die CHRG-Anzeige signalisiert, wenn der Baustein die Batterie auflädt. Die FAULT-Anzeige zeigt an, wenn die Batterie nicht nach einer fest eingestellten Zeitspanne auf das Laden reagiert oder eine Übertemperaturbedingung eintritt, die über den optionalen Eingangs-Pins für NTC-Thermistoren festgestellt wird.

Mehr Leistung durch Maximum-Peak-Power-Tracking

Das Maximum-Peak-Power-Tracking des µModule-Batterieladebausteins LTM8062 liefert bis zu 40 Prozent mehr Leistung, die aus einer Solarzelle gewonnen werden kann, in einer kompakten, komfortablen, zuverlässigen und effizienten Lösung. Im Laufe eines Tages wurde damit eine 25-prozentige Verbesserung der Energieausbeute erzielt, was eine potenzielle Einsparung bei den Kosten für die Solarzellen bei heutigen Preisen von 25 bis 63,5 Dollar pro 100 W generierter Spitzenleistung ergibt.

Der LTM8062 wird den Akku automatisch wieder aufladen, sollte die Spannung unter 2,5 Prozent der programmierten Schwebespannung (Nominalspannung) abfallen oder eine neue Batterie eingesetzt wird. Eine interne Sperrdiode ist vorhanden, um einen von der Batterie zur Quelle zurück fließenden Strom zu verhindern, wenn die Spannung der Solarzelle in der Nacht wegfällt. Für einen erhöhten Ladestrom können die Ausgänge mehrerer LTM8062 parallel geschaltet werden. In dieser Konfiguration teilen sich die Module in einziges Paar von Rückkoppel-Widerständen wie in Bild 3 dargestellt. Drei LTM8062-Module wurden dazu parallel geschaltet, um einen maximalen Ladestrom von 6 A ± 7,5 Prozent bei konstanter Ladung zu ergeben. Die Ladeschlussspannung wurde auf 8,4 V eingestellt.

Wirkungsgrad des Maximum-Peak-Power-Tracking

Es wurden während eines ganzen Sommertages Messungen mit der aktivierten und deaktivierten MPPT-Schaltung durchgeführt. Die dort herrschenden Wetterverhältnisse mit üblicherweise bedeckten Morgen, wobei der Himmel am Nachmittag völlig aufklart, sind aus San Francisco bekannt. Dies war auch der Fall bei unserem Experiment, das an einem Tag im Juli durchgeführt wurde. Die Messungen wurden während der normalen Arbeitszeit durchgeführt, obwohl eine reale Anwendung potenziell mehrere Stunden zusätzlichen Lichteinfall hätte, bevor und nachdem die Messdaten erfasst wurden.

Der Strom und die an die simulierte Batterie gelieferte Leistung, sind mit der aktiven MPPT-Schaltung deutlich höher als bei inaktiver Schaltung. Der Stromfluss zum Verbraucher ist um 20 bis 40 Prozent höher, mit Ausnahme während der Vormittagsperiode, wo der interne maximale Ladestrom des LTM8062 erreicht wurde, als das MPPT aktiviert wurde. Das Separieren des Batterieladebausteins und des Verbrauchers für einen Moment von der Schaltung, zeigte, dass eine aktive MPPT-Schaltung 18 bis 42 Prozent mehr Leistung aus der Solarzelle extrahiert, als mit der inaktiven Schaltung. Allgemein waren die Verbesserungen bei kleineren Lichtpegeln während der Morgen- und Abendstunden am deutlichsten. Die über die 9-Stunden-Periode zusätzlich an den Verbraucher gelieferte Energie betrug ungefähr 240 Wh ohne die MPPT-Schaltung und 300 Wh mit aktiver MPPT-Schaltung – eine Verbesserung um 25 Prozent. Entsprechend würde ein 100-W-Solarzellensystem mit einer am Verbraucher aktivierten MPPT die äquivalente Leistung wie ein 125-W-Solarzellensystem ohne MPPT generieren. Verwendet man die 1 bis 2,54 Dollar/Watt als Grundlage, würden sich Kosteneinsparungen zwischen 25 und 63,5 Dollar ergeben.

Zuverlässige und energieeffiziente Beleuchtung

Mit der maximalen Ausgangsleistung, die nun effektiv in der Batterie gespeichert wird, ist die zuverlässigste und effizienteste Art während der Nacht die Beleuchtung zu realisieren, der Einsatz von LEDs. Die neuen Bushaltestellen in der Stadt San Francisco, die gerade eingeführt wurden, konsumieren mit LEDs 74,4 Watt, im Gegensatz zu ihren Vorgängern mit Leuchtstoffröhren, die 336 Watt benötigten. Die Betriebskosten werden ebenfalls reduziert, da LEDs rund zehnmal länger halten als Leuchtstoffröhren. Darüber hinaus benötigen LEDs Gleichstrom für den Betrieb, was perfekt zum Gleichstrom passt, der aus Solarzellen oder Batterien verfügbar ist. Leuchtstoffröhren erfordern für ihren Betrieb einen Wechselstrom im Bereich von typisch 200 V bis 1500 kV, was wiederum teure und komplexe Treiberbausteine erfordert, wenn sie an einer Gleichstromversorgung betrieben werden. Die von Leuchtstoffröhren benötigte Wechselspannungsquelle mit relativ hoher Spannung kann auch zur potenziellen Störungsquelle für die drahtlose Kommunikation werden, wie nachfolgend noch beschrieben. Dem LTM8062 vergleichbar im Wirkungsgrad, der Zuverlässigkeit und im Komfort, stellt der Konstantstrom-LED-Treiber LTM8042 eine wertvolle Lösung für Beleuchtungsanforderungen dar.

Ob nun ein Aufwärts-, Abwärts- oder gar Aufwärts/Abwärts-Betrieb nötig ist, die Bausteine LTM8042 und LTM8042-1 sind einfach konfigurierbar, um einen konstanten Strom von bis zu 1 A respektive 350 mA zu liefern. In diesem Experiment würde die simulierte 8,4-V-Li-Ionen-Batterie das meiste ihrer Energie bei ungefähr 7 V liefern, was es dem LTM8042 ermöglicht, eine 700-mA-LED-Kette mit bis zu 16 V für einen Lichtstrom von 1300 Lumen, bei Einsatz von neutralweißen XLAMP XP-L-LEDs von Cree, zu unterstützen. Mit der gleichen Batterie könnte der LTM8042-1 eine 24-V-LED-Kette mit bis zu 350 mA treiben, die einen Lichtstrom von 1040 Lumen mit den neutralweißen Luxeon Rebel ES LEDs von Lumileds liefert. Wenn zwei Solarpanels in Reihe geschaltet werden, um UMPP auf 26 V zu erhöhen und die Batteriespannung auf 16,8 V zu steigern, kann ein Lichtstrom von bis zu 2880 Lumen mit den XLAMP-LEDs oder 1430 Lumen mit den Luxeon-Revbel-ES-LEDs erzielt werden. Sowohl der LTM8042 als auch der LTM8042-1 bilden eine komplette LED-Treiberlösung mit einem Eingangsspannungsbereich zwischen 3 V und 30 V und benötigen nur drei externe Komponenten.

Um Leistung während der Morgen- und Abenddämmerung zu sparen, unterstützt der LTM8042 zwei Dimmverfahren. Ein Dimmverhältnis bis zu 3000:1 kann unter Einsatz des PWM-Eingangs erzielt werden. Das analoge Dimmen kann mit einem Widerstand oder durch Anlegen einer Spannung realisiert werden. Die Schaltfrequenz ist dabei einstellbar zwischen 250 kHz und 2 MHz und kann mit einem externen Takt für rauschempfindliche Applikationen synchronisiert werden.