[size=150]
Johdanto[/size]
Aurinkopaneelit ovat nykyään halpoja, mutta niiden vaatimat lataussäätimet ovat edelleen suhteellisen kalliita, ainakin MPPT-säätimet. Esimerkiksi 50 W paneeli + MPPT-säädin yhdistelmässä MPPT-säädin on selvästi kalliimpi kuin paneeli. Hankin viime keväänä 50 W paneelin veneeseen, jossa oli valmiiksi AVR-pohjainen purkki, jolla sain toteutettua PWM-säätimen. Heti kun se oli valmis päätin kuitenkin rakentaa MPPT-säätimen.
[size=150]
Miksi säädintä tarvitaan[/size]
Akun latausjännite on syytä säätää sopivaksi, jotta lataus on nopeaa ja samalla akkua ei keitetä piloille ylijännitteellä. Yleensä lataussäätimet käyttävät 3-vaiheista (no oikeasti 2-vaiheista) latausalgoritmiä, jossa alussa ladataan maksimivirralla sekä n. 14,5 V maksijännitteellä ja tietyn ajan kuluttua tai virran pienentyessä siirrytään ylläpitojännitteeseen, joka on 13-13,5 V. Nämä arvot akun kannalta yleisesti riippumatta siitä millä ladataan.
Aurinkopanelit tuottavat yleensä maksimitehonsa 17-18 V jännitteellä ja ilman kuormaa jännite nousee reilusti yli 20 V. Tästä tulee kaksi ongelmaa 12 V järjestelmään kytkettäessä:
-
Pienellä kuormalla jännite nousee vahingollisen suureksi ja jännite on liian suuri akun lataukseen. Tästä syystä ilman lataussäädintä akkuun voi kytkeä vain pienen paneelin (tehon enintään n. 10% akun Ah-määrästä).
-
12-14,5 V jännitteillä aurinkopaneelista ei voida saada sen nimellistehoa, vaan jäädään 15-35% alle sen. 50 W paneelista saa enintään 2,8 A virran (ilman hakkuria).
Ongelmakenttä selviää hyvin tästä tyypillisen aurinkopaneelin virta ja teho vs. jännitekuvaajasta
Virta pysyy melko vakiona aina oikosulkuvirrasta lähelle maksimitehon jännittettä, jonka paikkeilla virta alkaa laskea voimakkaasti. Maksimitehon jännite ei juurikaan riipu säteilymäärästä eli paneelin tuottamasta tehosta, mutta paneelin lämpötila sekä johtimien jännitehäviöt vaikuttavat siihen.
[size=150]
Eri säädintyypit[/size]
Aurinkopaneeleille on olemassa kolmea eri säädintyyppiä:
-
Keinokuormasäädin (ei juuri käytetä enää) hukkaa lämmöksi ylimääräisen tehon, jotta jännite pysyy sopivana. Hyötyvirta on enintään paneelin oikosulkuvirta.
-
PWM-säädin katkoo aurinkopaneelin virtaa siten, että keskimääräinen jännite on sopiva. Tämä on yleisin säädintyyppi ja kaikki halvat perustuvat tähän. Hyötyvirta on enintään paneelin oikosulkuvirta.
-
MPPT-säädin käyttää hakkuri DC-DC -muunninta, joka kuormittaa paneelia sen maksimitehon jännitteellä aina kun latausjännite on alle säädetyn maksimin. Hyötyvirta on suurempi kuin paneelin oikosulkuvirta.
[size=150]
Mikä on MPPT-säädin[/size]
MPPT tulee sanoista Maximum Power Point Tracking. Se on siis säädin, joka “etsii” parhaimman tehon jännitteen. Käytännössä se on hakkuriregulaattori, jota säädetään myös tulojännitteen perusteella. MPPT-säätimiä on sekä aktiivisia että passiivisia. Aktiivinen MPPT-säädin oikeasti mittaa tehoa ja hakee sen suurimman tehon. Passiivinen taas tietää ennalta mistä se likimäärin löytyy eli käyttää vakiojännitettä paneelin kuormituksessa.
Aktiivinen MPPT-säädin on melko monimutkainen. Se käyttää joka suhteellisen monimutkaista analogista säätösysteemiä tai mikrokontrolleria. Molemmat perustuvat siihen, että kuormitusjännitettä poikkeutetaan ja samalla mitataan tehomuutosta. Jos muutos oli positiivinen, siirrytään lisää samaan suuntaan.
Passiivinen taas on mittaa sekä sisääntulo- että ulostulojännitettä ja reguloi virtaa (eli ulostulojännitettä) molempien perusteella. Jos ulostulojännitettä ei saavuteta, sisääntulojännite pidetään ohjelmoidulla tasolla. Jos ulostulojännite menee yli, vähennetään virtaa eli annetaan sisääntulojännitteen nousta.
[size=150]
Ostettavissa olevat kaupalliset MPPT-säätimet[/size]
MPPT-säätimet ovat perinteisesti olleet hyvin kalliita. Vielä muutama vuosi sitten niiden hintataso oli alkean useita satoja euroja. Nyt halvimmat ovat jo tippuneet 100 euron paikkeille. Myös muutaman kympin MPPT-säätimiä näkyy nettikaupoissa, mutta niitä kokeilleet ovat havainneet ne toimimattomiksi eli virta ei kasva yli oikusulkuvirran. Yleensä kaupalliset säätimet ovat myös melko kookkaita.
[size=150]
Toimintaperiaatteen ja piirin valinta[/size]
Tarkoituksena oli tehdä veneeseen säädin. Koska veneessä jo oli AVR-pohjainen purkki, en halunnut toista mikrokontrolleria vaan potentiaalisen mahdollisuuden hyödyntää nykyistä. Netistä löytyy muutama MPPT-projekti, mutta mikään niistä ei ollut minulle oikein sopiva ja toisaalta halusin tehdä kokonaan oman ja halvan.
Tavoitteena oli erinomainen hyötysuhde (95%), vähintään kahdelle 50 W paneelille riittävä teho, pieni koko, halpa hinta ja yksinkertainen rakenne.
Etsin sopivia piirejä ja paras löytämäni oli hieman yllättävällä nimikkeellä “60V High Current
Step-Down LED Driver Controller” oleva Linearin piiri LT3763. Datasheetissä oli kuitenkin juuri aurinkopaneelilataussäädin esimerkki.
[size=150]
LT3763 ominaisuuksia[/size]
LT3763 on erittäin monipuolinen piiri, jolla voi tehdä hyvin erilaisia virransyöttö (LEDeille) ja lataussysteemejä. Siinä ei kuitenkaan ole aktiivista MPPT-ominaisuutta, vaan ainoastaan passiivinen. Aktiivinenkin onnistuu, mutta se pitää tehdä ulkopuolisilla osilla ja pitäisi onnistua veneessä olevalla AVR-purkilla. Tässä artikkelissa kuitekin tehdään passiivinen, aktiivinen on nyt työn alla ja siitä tulee ehä jatkoartikkeli.
LT3763 mittaa sisääntulojännitettä, sisääntulovirtaaa, ulostulojännitettä ja ulostulovirtaa. Se osaa pitää sisääntulojännitteen halutulla tasolla ja tarvittaessa mennä myös ylläpitolataustilaan. Myös erilaisia PWM säätöjä ja virranrajoituksia on mahdollista käyttää. Virranmittausarvot saa ulos vahvistettuna, jote virtamittaus on helppoa ADC-muuntimella. Sisääntulojännite saa 6-60V, ulostulojännite 0-55 V ja virta 20 A. Esimerkkikytkennöissä hyötysuhde oli 95% molemmin puolin.
Piiri on siis ominaisuuksiltaan erinomainen. Ainoa ongelma “kotikäytössä” on kotelointi. Piiriä on 28-pinninen TSSOP-pintaliitososa lähes koko pohja-osan kokoisella maapadillä. Juottaminen on siis haastavaa, mutta itse onnistuin siinä kuumaa tasoa käyttäen jopa lyijyttömällä tinalla. Kuumailmapuhallin on hommaa vielä parempi. Sellaisen hankin vasta myöhemmin.
[size=150]
Oleellisimpien oheiskomponenttien valinta[/size]
Koska tavoitteena oli erinomainen hyötysuhde, pitää oheiskomponentit valita erittäin huolellisesti. Hyötysuhteen kannalta oleellisia ovat MOSFETit (2 kpl), kela (1 kpl) sekä hakkurin taajuuden säätävä vastus. Myös virranmittauksessa käytettävät vastukset vaikuttavat piirin toimintaan. Niillä säädetään maksimivirta ja samalla virtataso, jossa hakkuri muuttaa toimintatapaansa.
MOSFETeillä on hakkurin kannalta oleellisia ominaisuuksia:
-
Vds eli jännitteenkesto. Tämä on oltava suurempi kuin suurin mahdollinen sisääntulojännite transientteineen. Suurempi on tietysti parempi, mutta samalla muut ominaisuudet huononevat. Uskoisin, että 30 V riittää 12 V systeemille.
-
Rds(on) eli vastus johtavana. Pienempi on parempi ja tässä puhutaan yksittäisistä milliohmeista, mutta samalla muut ominaisuudet huononevat. Vaikuttaa tehohäviöön ja kuumenemiseen MOSFETin ollessa johtavana.
-
Qgate = Qgd + Qgs kapasitanssi, jota “vastaan” ohjainpiiri joutuu työskentelemään. Tämä on suurusluokka 10 nC.
-
Vgs eli ohjausjännitteenkesto ja tarve. Pitää olla riittävän kestävä (ei ongelma) ja kynnysjännitteen pitää olla riittävän matala (enintään pari volttia), jotta Rds(on) saavutetaan.
-
Virta-arvot jäähdytys huomioiden pitää olla riittävät koko virralle.
Kelalla taas on seuraavat oleelliset arvot:
-
Induktanssi. Vaikuttaa oleelliseti toimintaan. Suurempi arvo johtaa suurempaan kokoon ja/tai suurempaan vastukseen.
-
Sarjaresistanssi. Vaikuttaa tehohäviöön ja lämpenemiseen. Suuruusluokka 10 mohm
-
Maksimivirta. Näitä on oikeastaan kaksi saturaatiovirta (induktanssi alkaa muuttua) ja nimellisvirta. Kela ei saa missään tapauksessa saturoitua, joten saturaatio virta on valittava ainakin 20% suuremmaksi kuin maksimivirta ulos.
Näiden kaikkien valinta on aina kompromissi, jolla vaikutetaan hyötysuhdekäyrään, rippeliin jne. Itse käytin valinnassa laajasti apuna LTspice ohjelmaa, jolla näkee todella näppärästi kokonaishyötysuhteen ja eri komponenttien tehohäviöt eri tilanteissa. LTspice on kuitenkin kokonaan oman artikkelinsa arvoinen, jote tässä vain esimerkkikuva. Huomaa, että kompenentit eivät ole samoja kuin käytämäni. Kondensaattoreille on otettu huomioon DC-bias, MOSFETit ovat vastaavia jne. Jännitelähteen jälkeinen diodi on aurinkopaneelin sisäinen ja kela kuvaa kaapelia. Näiden kahde tehohäviö on hyvin merkittävä ko. tapauksessa. Itse säätimen hyötysuhde on 98,5% ko. tapauksessa.
Lopulta päädyin valitsemaan molemmiksi MOSFETeiksi CSD17306Q5A ja kelaksi Wurthin 7443320820 (8,2 uH). MOSFETin kaikki pinnit ovat pohjassa ja osa isoja, joten juottaminen taas vaikeaa, mutta onnistui kotikonstein. Taajudensäätövastus on 160 kohm, jolla taajuus n. 250 kHz. Virranmittausvastukset 5 mohm, jolla 10 A maksimivirta.
Konkat ovat kaikki keraamisia lukuunottamatta sisääntulossa olevaa yhtä 100 uF elkoa. Se on siellä estämässä ylisuurta piikkiä kytkettäessä virtalähteeseen. Keraamiset konkathan ottavat hyvin suuren kytkentävirran, mikä on ongelmallista pitkien johtojen induktanssin kanssa. Keraamiset konkat ovat 0805-kokoa lukuunottamatta ulostulon 1210-konkkia.
[size=150]
Piirilevysuunnittelu[/size]
Kytkentäkaaviohan on hyvin yksinkertainen ja esitetty jo pääosin edellä, joten siihen en puutu enempää. Piirilevysuunnittelu oli selkeästi vaativampi osa, hyvän hyötysuhteen ja hyvien EMC-ominaisuuksien tavoitteiden takia. Alkusommittelun jälkeen huomasin, että tämän saa mahtumaan Hammondin 1551H-koteloon, jollainen minulla oli toisen projektin jäljiltä. Se on ulkomitoiltaan 60x35x20 mm eli säätimestä tulee todella pieni. Kokeilin hekulampun avulla miten pahasti kotelo kuumenee parin W teholla, joka pahimmillan voi syntyä. Tuntui olevan OK. Kotelon perusteella piirilevyksi tuli 2-puoleinen 54x24 mm, josta kahdesta kulmasta pois kannen kiinnitysruuvit ja kaksi piirilevyn kiinnitysruuvia.
Suunnittelussa päähuomio oli kahdessa asiassa:
-
Pitää virtaluupit mahdollisimman pieninä. Tämä on olellista EMC:n ja myös luotettavan toiminnan kannalta. Tässä pitää huomioida MOSFETtien, sisään- ja ulostulokonkkien ja kelan sijoittelu. Sijoitusesimerkkejä löytyy monista application noteista.
-
Varmistaa, että piirilevypinta-alaa on tarpeeksi kaikissa suurivirtaisissa vedoissa eli GND, sisään- ja ulostulo. Käytin 2-puoleisia läpivienneillä yhdistettyjä 6 mm leveitä vetoja sisään- ja ulostulolle sekä kaiken ylimääräisen GND:lle molemmin puolin.
Tässä tulos (miten muuten piirilevystä saa kunnon valokuvia?):
[size=150]
Kokemukset käytössä ja mittaukset[/size]
Säädin oli vajaan vuoden veneessä paneelin ja AVR-pohjaisen PWM-säätimen välissä. Se siis yritti tuottaa 14,8 V jännitteen, jota PWM rajoitti tarpeen mukaan 13,2-14,5 V välille. Sisääntulon tavoitejännite oli hiukan yli 17 V.
Säädin toimi ongelmitta, mutta en ole lainkaan varma oliko valittu tavoitejännite sopiva. Siksi nyt on tarkoitus jatkaa projektia muuttamalla tavoitejännite AVR:n ohjaamaksi. Tähän on jo valmius piirilevyllä olemassa.
Tavoite- ja ulostulojännitteen osalta piiri toimii täysin odotetusti. Alle 17 V jännitteillä ei virtaa juuri ulos tule ja hiukan yli 17 V jännitteellä saa kaiken mitä tarjolla on. Ulostulojännite pysyy 14,7-14,8 välillä, jos sisääntulossa riittää tehoa.
Hyötysuhteen mittaaminen ei ole aivan helppoa. Vaatisi oikeastaan neljä hyvin tarkkaa RMS-yleismittaria, joista kahdessa vielä vähintään 10 A virtamittaus. Minulla on vain yksi erinomaisen tarkka RMS-mittari ja siinäkin vain 2 A virtamittaus. Toisessa yleismittarissa on 20 A virtamittaus, mutta se ei ole RMS-mittari eikä muutenkaan huipputarkka. Tosin ero on olematon tuohon tarkkaan nähden. Lisäksi labravirtalähteessä on jännite- ja virtanäytöt, jotka ovat osoittautuneet tarkoiksi, mutta virralle on vain kaksi ja jännitteelle yksi desimaali. Sitten pitää olla tarkkana johtojen jännitehäviöiden kanssa. Ulostulovirran voi myös mitata jännitteenä LT3763:n virtamittausulostulosta, mutta sen tarkkuudesta ei ole varmuutta.
Yritin parhaani mitat hyötysuhteen vain ja ainoastaan säätimen osalta eli jännitteet on mitattu säätimen ruuviliitosrimasta. Sisääntulojännite oli kokoajan 19 V (- kaapeleiden jännitehäviöt) ja ulostulo 14,8 V.
Ei kuormaa: virrankulutus 8 mA
0,65 A kuorma: 94,0%
1,25 A kuorma: 92,3%
4,4 A kuorma: 97,5%
5,42 A kuorma: 97,4%
5,88 A kuorma: 98,0%
6,87 A kuorma: 97,8%
7,9 A kuorma: 103% (tietysti mahdoton, mitattu käyttäen LT3763 virtaulostuloa).
Kokeilin lisäksi pelkkää oikosulkua yleismittarilla:
9,4 A, 2,23 V, hyötysuhde 88,4%
Muillakin sisääntulojännitteillä tulokset olivat samansuuntaisia eli pienilläkin kuormilla yli 90% ja isommilla 97-98%. Tavoitteet on siis saavutettu!