Solar-Ladegerät - "Spannungsabfall" bei stärkeren Verbrauchern?
Hallo zusammen, ich hatte die Tage schon einmal eine ähnliche Frage gestellt, aber leider keine Antwort erhalten. Daher versuche ich es jetzt nochmal etwas konkreter.
Ich habe mir aus einem 5W Solarmodul und einem Step-Down-Converter ein simples USB-Ladegerät nach dem folgenden Aufbau gebastelt:
Anmerkung: Beim Erstellen der Skizze war ich davon ausgegangen, dass das Solarmodul "nur" 12,0 Volt liefert. Bitte nicht wundern.
Mit "kleinen" Verbrauchern, wie z. B. einer Akku-Taschenlampe, funktioniert das ganze auch super. Das Solarmodul produziert bei voller Sonneneinstrahlung bis zu 21,0 Volt und gibt dank Step-Down-Converter genau 5,0 Volt raus. So weit, so gut.
Sobald ich aber einen "stärkeren" Verbraucher, wie z. B. ein Smartphone oder eine Powerbank anschließe fällt die Spannung am Eingang des Step-Down-Converters plötzlich auf 4,0 - 4,5 Volt und am Ausgang verhält es sich parallel.
Mir ist von der Logik her leider nicht ganz klar, wie das überhaupt sein kann, da der Eingang ja eigentlich durch das Solarmodul bestimmt wird, aber zwei verschiedene Multimeter zeigen es mir genau so an. Ziehe ich den Verbraucher vom USB-Kabel ab, steigt die Spannung am Eingang direkt wieder auf 20,0 Volt und am Ausgang auf 5,0 Volt.
Ich gehe daher davon aus, dass meinem Aufbau eine Komponente fehlt. Kann mir jemand helfen? Danke. :)
6 Antworten
Wenn am USB Kabel eine höhere Last hängt als das Solarpanel versorgen dann bricht die Spannung ein. Der Konverter versucht eben die Leistung zu bekommen.
Die Spannung die ein Solarmodul liefern kann ist ja unbelastet angegeben. Ist wichtig da dahinter Bauteile sein müssen die auch die unbelastete Spannung aushalten müssen.
Andererseits kann das Solarmodul eine bestimmte Kraft in mA liefern. Das macht sie auch, egal auf wieviel Volt sie einbricht.
ZB Kann ein Ladegerät für einen Bleiakku zB 15A liefern und hat im Leerlauf, je nach Gerät, zB 30V. Aber sobald ein Akku dran hängt ist die zu messende Spannung je nach Ladezustand 10V bis 13,6V.
Jede Stromquelle hat eine unbelastet Spannung und sobald sie belastet wird wird sie klein je nach Last.
Der Converter versucht die Spannung am Ausgang stabiel zu halten. Das führt dazu das er am Eingang den Widerstrand reduziert, wodurch bei konstanter Spannung ja mehr Strom fließen würde und sich somit die Leistung erhöhen würde. Grob gesagt, versucht er mehr Leistung aus der Solarzelle zu ziehen.
Hängt man das Ding an eine Batterie, da würde der Innenwiderstand zwar dazu führen, das die Spannung etwas sinkt, allerdings steigt der Strom bis zum Kurzschlussstrom immer weiter an. Die maximale Leistung erreicht man bei einer Batterie, wenn der Lastwiderstand gleich den Innenwiderstand ist.
Solarmodule verhalten sich da anders. Der maximale Strom wird hier nicht primär durch den Innenwiderstand begrenzt, sondern dadurch, das eine bestimmte Menge Photonen einfach nur eine bestimmte Menge Elektronen auf ein höheres Energienivau heben. Das heißt so eine Solarzelle liefert keine konstante Spannung, sondern eher einen konstanten (Maximal-)Strom, der von der Lichteinstrahlung abhängt. Dieser Maximalstrom wird bei relativ hohen Spannungen fast erreicht. Auch hier gibt es Effekte durch Innenwiederstande, die sind da aber eher vernachlässigbar.
Wenn man bei einer Solarzelle den Lastwiderstand zu weit reduziert, erhöht sich die Leistung nicht, sondern reduziert sich, da bei gleichen Strom eine geringere Spannung anliegt.
Der Converter regelt somit seinen Lastwiderstand und damit die Spannung soweit runter, bis er quasi einfach durchschaltet.
Das ist natürlich ungünstig, da so die Solarzelle auch nur eine deutlich geringere Leistung liefert. Das Dumme ist hier auch, das wenn das System einmal in den Zustand verfällt, es aus diesen Zustand nicht mehr so leicht herauskommt.
Das Schlagwort für dieses Phänomen lautet: Innenwiderstand. :)
Den kannst du dir auch so vorstellen, wie einen Widerstand, der in der Spannungsquelle in Reihe zu den Anschlussklemmen verbaut ist. Der ist da natürlich nicht wirklich als Bauteil (also so ein Röhrchen mit farbigen Ringen) verbaut, sondern er entsteht durch die Komponenten, aus die Spannungsquelle besteht..
Dieser sorgt dafür, dass eine Spannungsquelle einknickt, je stärker sie belastet ist.
Darum kannst du nicht unendlich viel Strom rausziehen, sondern nur so viel, wie sie abgeben kann. Je potenter die Spannungsquelle, desto niedriger der Innenwiderstand.
Weil die Spannung lastabhängig schwankt, ist die Solarzelle eine "unstabilisierte Spannungsquelle". Andere Vertreter dieser Art sind: Klassischer Netztrafo, Monozelle, Fahrraddynamo, Autobatterie.
Nun bist du schone einen Schritt weiter und hast den 5V-Wandler dazwischengepackt, um eine stabilisierte Spannungsquelle zu bekommen, bei der die Spannungsschwankungen durch einen Regelmechanismus innerhalb des Wandlers eliminiert werden.
Aber auch das hat Grenzen: Du kannst nur so viel Strom rausbekommen, wie die Solarzelle liefern kann. Überlastest du den Kreis, kann der Wandler die 5V irgendwann auch nicht mehr aufrecht erhalten und die Spannung bricht ein.
Die heutigen Handys ziehen eine beachtliche Stromstärke. Dein Ladegerät sollte 1-2A liefern können. Wird es überlastet (d.h. die Spannung bricht soweit ein, dass ausgangsseitig keine 5V mehr anliegen), sollte die Ladebuchse abgeschaltet werden, um Schäden am Handy zu vermeiden.
Es fehlt nicht irgendeine Komponente. Die Anlage kann nicht mehr als 5 Watt liefern bei vollem Sonnenschein. Alle Komponenten können begrenzend wirken - nicht nur das Solarmodul, auch der Converter. Jeder muss die Leistung schaffen.
Die 5 Watt ergeben am Ausgang maximal 1 A, eher weniger, da der Konverter einen Wirkungsgrad von <100% hat. Die Ladung des Smartphones zieht bei 5Volt mehr als 1 Ampère, also mehr als5 Watt. Da das Solarmodul max. 5 Watt liefern kann, bricht die 5Volt zusammen.
Um Smartphones laden zu können, brauchst du ein stärkeres PV-Modul.
Die Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand. In Reihe mit dem Verbraucher ergibt sich der Gesamtwiderstand.
Und da teilt sich dann die Gesamtspannung proportional auf die Widerstände auf.
Ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle halb so groß wie der Widerstand des Verbrauchers, so fällt an der Spannungsquelle 1/3 der Spannnung ab, während am Verbraucher noch 2/3 gemessen werden. Aus 6 V am offenen Stromkreis werden dann im geschlossenen Stromkreis 4 V am Verbraucher.