Passive 3 Phasen Gleichrichter mit Spannungsverdopplung und Akkuladung

Hallo zusammen,

das Thema passiver Gleichrichter wird hier im Forum immer wieder angesprochen, insbesondere dann, wenn es um Akku Ladung geht. Der wesentliche Vorteil dieser Anbindung liegt im Stromverbrauch bei Standby, also dann wenn z.B. nicht genug Wind vorhanden ist. Der Stromverbrauch im Standby ist nämlich 0 mA oder kurz: es gibt dann keinen Stromverbrauch.
D.h. der Akku wird nicht, auch nicht minimal entladen, wenn kein Wind vorhanden ist.

Ich habe diesen Thread gestartet, um die Vor- und Nachteile solcher passiver Gleichrichter für Kleinwindanlagen, hier zu zentralisieren. Und um Grundlagen zu schaffen um komplexere und hochwertigere Lademöglichkeiten bis hin zu MPPT Ladereglern besser zu verstehen.

Ziele dieses Threads sind, unter Anderem:
+ Einfache Lademöglichkeiten aufzuzeigen, die kostengünstig sind und kaum Vorkenntnisse in Elektronik benötigen
+ Vor- und Nachteile darzustellen um präziser vorhersehen zu können was die Schaltungen leisten und was nicht
+ Käufliche und teurere Lademöglichkeiten besser bewerten zu können aufgrund der intern verwendeten Technik
+ Einsatzbereiche passiver Gleichrichter bewerten zu können
+ Einfache Messungen mit passiven Gleichrichter durchführen und bewerten zu können
+ Das Zusammenspiel: Repeller, Generator, Gleichrichter und Akku besser zu verstehen
+ Abwägen können, ob eine andere Lademöglichkeit besser passt

Ich freue mich, wenn ihr euch beteiligt, Kritik äußert, Fehler findet und aufzeigt. Dinge präzisiert oder auch durch Fragen und Anregungen helft das Thema besser zu beleuchten.

Als Einstieg, zwei Links auf die Wikipedia: Gleichrichter und Dreiphasengleichrichter
und zwei Bilder der "ungesteuerten Drehstrombrücke (B6U)" auch 3 Phasen Brückengleichrichter genannt,
die hier wohl am meisten eingesetzte Schaltung.

Die B6U Drehstrombrücke im Betrieb am Akku

Hinweis zu Genauigkeit:
Typischerweise liefern unsere Generatoren nur Sinus ähnliche Drehströme. Auch die magnetischen und aerodynamischen Effekte sind in der Realität komplexer. Der Innenwiderstand des Akkus ist sehr gering verglichen mit dem Spulenwiderstand und wird vernachlässigt. In der Praxis sind Abweichungen bei den Messungen zu erwarten.
Es müssen true RMS Messgeräte verwendet werden um glaubhafte Effektivwerte zu erhalten.
Sobald die Schaltung mit Strom belastet ist, wird das Magnetfeld durch diesen Strom und die Spulen im Generator geschwächt. Das führt insbesondere bei der Stromkopplung hier mit Akku dazu dass:
die induzierte Spannung nicht linear mit der RPM ansteigt.
das übertragbare Drehmoment nicht linear mit dem Strom ansteigt.
Zusätzlich gibt es oft Eisenverluste im Generator, welche den generierten Strom und die Spannung reduzieren.
Die Induktivität der Spulen wirkt stärker mit zunehmender Drehzahl, was auf der AC Seite die Scheinströme und Scheinleistung (VA) erhöht.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 12V Akku:
Entscheidend für den Ladebeginn sind die DC Akkuspannung, DC Spitzenspannung nach der Gleichrichtung und die Diodenverluste. Es gilt: DC Spitzenspannung = AC Phasen Spannung * 1.41.

Beispiel Rechnung für einen 12 V Akku:
(12.7 V DC Akku Spannung + 1.4 V DC Dioden Spannung) / 1.41 = 10 V AC.
Ab ca. 10 V AC Phasenspannung ist der Ladebeginn für einen 12 V Akku zu erwarten.
Ab ca. 19 V AC Phasenspannung ist der Ladebeginn für einen 24 V Akku zu erwarten.

10 V AC beschreibt den Effektiv Wert der Sinusspannung, das Gleichstrom Equivalent, den RMS Wert und ist ein repräsentativer Mittelwert. Das folgende Bild zeigt, in rot, den Verlauf einer, der drei, Wechselspannungen, wie sie ungefähr zwischen zwei Phasen messbar ist.



Erläuterungen zum Bild:
1) positiver Spitzenwert, z.B. 14.1 V, auch Scheitelwert genannt
2) Spitze-Tal Wert, doppelter Spitzenwert
3) Effektivwert, z.B. 10 V, Gleichstrom Equivalent, RMS Wert
4) Dauer einer Periode, danach wiederholt sich der Spannungsverlauf

Merke: Eine Wechselspannung mit 10 V AC wechselt periodisch zwischen +14.1 V über 0 V nach -14.1 V.


Spannungen und Ströme in einem Betriebspunkt für einen 12 V Akku
Als Betriebspunkt sei die Drehzahl, RPM, des Windrades mit Belastung durch den Akku doppelt so hoch wie bei Ladebeginn und es wären 3 mal 2 Ohm Spulen im Stern im Generator verschaltet.

Welcher Strom fließt nun in den Akku? bzw. wie hoch ist die Ladeleistung und wie ist der Wirkungsgrad?

Durch die doppelte Drehzahl wird in etwa die doppelte Spannung magnetisch induziert.
Die induzierte Spannung erhöht sich mit der Drehzahl des Repellers.
Weil der Akku nicht mehr als 10 V AC Phasenspannung zulässt, entsteht an den Spulen des Generators,
Verlustspannung und Verlustleistung in gleicher Größenordnung.
Es fließen nun in den Akku simuliert ca. 3 A DC was, ca. 42 Watt ausmacht.
Der elektrische Wirkungsgrad des Generators wäre hier geschätzt um die 50 % (abgegebene zu aufgenommener Leistung).
Das Bremsmoment des Repellers erhöht sich mit dem fließenden Strom.
Ist das Bremsmoment größer als das Drehmoment des Repellers, wird der Repeller langsamer.

Spannungen und Ströme in einem weiteren Betriebspunkt für einen 12 V Akku
Als Betriebspunkt sei die Drehzahl, RPM, des Windrades mit Belastung durch den Akku nun dreimal so hoch wie bei Ladebeginn.

Durch die dreifache Drehzahl wird in etwa die dreifache Spannung magnetisch induziert.
Weil der Akku nicht mehr als 10 V AC Phasenspannung zulässt, entsteht an den Spulen des Generators,
Verlustspannung und Verlustleistung in doppelter Größenordnung wie im Akku.
Es fließen nun in den Akku simuliert ca. 6.4 A DC, was ca. 90 Watt ausmacht.
Der elektrische Wirkungsgrad des Generators wäre hier geschätzt um die 33 % (abgegebene zu aufgenommener Leistung).

Merke:
Je schneller das Windrad dreht, desto mehr Spannung wird im Generator induziert.
Quasi nur der höhere Stromanteil kann im Akku in Ladeleistung bei fast gleicher Akkuspannung gewandelt werden.
Das Drehmoment des Repellers nimmt durch den Wind stark (theoretisch quadratisch) zur Drehzahl zu.
Ab einer bestimmten Drehzahl kann das Windrad durchdrehen, weil das Bremsmoment durch den Strom zu schwach ist.

Fazit:
Die direkte Ladung nur mit B6U Drehstrombrücke ist sehr einfach zu realisieren und verbraucht keinen Standby Strom.
Unter Belastung kann die Ladeleistung nur über höheren Strom gesteigert werden.
Das führt zu hohen Wärmeverlusten im Generator und zu einer Schwächung des Magnetfeldes.
Bei höheren Drehzahlen könnte das Bremsmoment nicht reichen und der Repeller könnte durchdrehen.
Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich abgesichert werden.
Das Windrad muss ggf. zusätzlich gebremst oder weiter belastet werden wenn der Akku voll ist.

B6U Spannungsverdopplung am 24 V Akku

Die Spannungsverdopplung ist eine einfache Variante der B6U Drehstrombrücke am Akku.
Hierzu ist eine B6U Brücke und ein Mittelpunkt Abgriff am Akku erforderlich. Steht kein Mittelpunkt Abgriff am Akku zur Verfügung, kann man einen anderen Mittelpunkt Abgriff verwenden, hierzu ggf. später mehr.



Funktionsweise der Schaltung:
Wie im Schaltplan ersichtlich ist, wird auf Basis einer B6U Brücke, eine der Phasen, hier L2, zusätzlich zum Mittelpunkt eines 24 V Akkus, der aus zwei 12 V Akkus in Reihe besteht, verbunden. Wenn man dauerhaft die Spannung verdoppeln möchte reicht auch eine B4U Brücke, die übrige Phase wird dann nur an den Mittelpunkt des Akkus angeschlossen.

Hierdurch müssen die Spannungen zwischen L1, L2 und L2, L3 nur noch hoch genug sein um einen 12 V Akku zu laden. Die Spannung zwischen L1, L3 muss nach wie vor hoch genug sein um einen 24 V Akku zu laden. Diese Spannungsverdopplung belastet den Generator unsymmetrisch, anfänglich nur zu 2/3. In der Anwendung am Windrad ist das kein Nachteil sondern ein Vorteil. Das Windrad wird weniger stark am Anfang belastet und kann leichter hoch drehen.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 24 V Akku:
Entscheidend für den Ladebeginn sind die DC Akkuspannung, DC Spitzenspannung nach der Gleichrichtung und die Diodenverluste. Es gilt: DC Spitzenspannung = AC Phasen Spannung * 1.41.

Beispiel Rechnung, es muss nur die Spannung für einen 12 V Akku erreicht werden und es wird nur eine Diode verwendet:
(12.7 V DC Akku Spannung + 0.7 V DC Dioden Spannung) / 1.41 = 9,5 V AC.
Ab ca. 9,5 V AC Phasenspannung (Zwischen L1,L2 oder L2,L3) ist der Ladebeginn für einen 24 V Akku zu erwarten.

Vorteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Der Ladebeginn erfolgt deutlich früher, ca. bei der Hälfte der RPM. Auch wenn die RPM für den Ladebeginn einer Drehstrombrücke erreicht werden, lädt diese Schaltung dann schon mit höheren Strömen.

Nachteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Bei höheren RPM (ca. Faktor vier vom Ladebeginn), fällt die Ladeleistung um ca. 33 % ab. Das ist deswegen so, weil 2 der Strompfade immer nur den halben Akku (12 V) laden und nur ein Strompfad den ganzen Akku (24 V) lädt. Das Windrad wird früher belastet. Reicht das Drehmoment des Repellers nicht, kann es sein, dass das Windrad, nicht oder nur sehr schlecht anläuft.

Ein- und Ausschalten der Spannungsverdopplung
Die Spannungsverdopplung kann sehr einfach manuell z.B. mit einem Schalter ein- und ausgeschaltet werden. z.B. wenn stärkere Winde angekündigt werden um diese dann besser zu nutzen.

Automatische Strombegrenzung der Spannungsverdopplung
Mit Hilfe einer PTC Sicherung, z.B. der PTC FRU25030F kann günstig der Strom zum Verdoppeln z.B. auf 1.6 A begrenzt werden. Hierdurch werden Effizienz Nachteile bei höherer RMP reduziert und die Belastungskurve in den unteren Drehzahlen wird MPPT ähnlich, weil eine fließende Spannungsanpassung erfolgt.

Anwendungen
+ Kleinanwendungen die ohne Regler Standby Strom arbeiten wollen, wenn kein Wind vorhanden ist
+ Bessere Ausnutzung schwacher Winde, die zwar wenig Leistung produzieren, dafür häufiger vorkommen
+ 12 V Windrad am 24 V Akku System
+ Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich noch umgesetzt werden
+ Das Windrad mus ggf. zusätzlich noch abgebremst oder weiter belastet werden, wenn der Akku voll ist.

B6U Spannungsverdopplung am 12 V Akku

Die Spannungsverdopplung am 12 V Akku, ist aufwändiger, weil meistens kein Mittelpunkt Abgriff am Akku möglich ist.
Der Mittelpunkt Abgriff wird hier mit Hilfe zweier Kondensatoren konstruiert. Um die Effizienz und die Lebensdauer der Kondensatoren zu erhöhen wird hier der Strom zum Verdoppeln hier mittels einer PTC Sicherung limitiert. Sind keine hohen Ströme zu erwarten kann die PTC Sicherung entfallen. Wenn man dauerhaft die Spannung verdoppeln möchte reicht auch eine B4U Brücke, die übrige Phase wird dann an den Mittelpunkt der Kondensatoren ohne PTC Sicherung angeschlossen.



Funktionsweise der Schaltung:
Die beiden Kondensatoren werden zeitlich versetzt, von den Spannungen L2,L1 sowie L2,L3 geladen. Weil die Kondensatoren gegenüber dem 12 V Akku in Reihe geschaltet sind, addiert sich die Spannung der Kondensatoren. Sobald diese Summe größer als die Akkuspannung ist, fließt Strom von den Kondensatoren in den Akku. Die Kondensatoren dienen hier als kurzer Zwischenspeicher. Die Spannung L1,L3 wird nicht verdoppelt und führt erst bei höheren RPM über die B6U Brücke zu Ladestrom.
Die PTC Sicherung begrenzt den Strom zum Verdoppeln, auf z.B. auf 750 mA. Hierdurch fließen höhere Ströme bei mehr RPM auch von den Spannungen L2,L1 sowie L2,L3, direkt über die B6U Brücke, an den Kondensatoren vorbei und laden den Akku so mit höherer Spannung und Leistung. Es kann jede beliebige Akkutechnik verwendet werden. Der Akku muss jedoch ggf. noch vor Über und Unterladung geschützt werden und das Windrad ggf. abgebremst werden oder die überschüssige Energie gedumpt werden.

Dimensionierung und Lebenserwartung der Elektrolytkondensatoren:
Folgende Faktoren beeinflussen die Lebenserwartung im Betrieb: Spannung, Strom, Temperatur, Spezifikation und Kapazität

Spannung:
Die Nennspannung der Kondensatoren sollte großzügig ausgelegt werden. min. 16 V für 12 Volt Anwendungen. Im Betrieb können zeitlich kurze Zustände entstehen, wo ein Kondensator die komplette Akkuspannung erreicht und gleichzeitig der andere Kondensator nahezu Null Spannung hat. Die Kondensatoren sollten nie ohne Akku betrieben werden, falls doch kann das Windrad hoch drehen und die hohe Spannung die Kondensatoren zerstören.

Strom:
Kondensatoren haben eine maximale Strombelastung, die im Datenblatt angegeben ist. Kurzzeitig vertragen Kondensatoren auch höhere Ströme, insbesondere bei niedriger Frequenz. Dauerhaft sollte der angegebene Nennstrom nicht überschritten werden.

Temperatur:
Die Temperatur hängt im Wesentlichen vom Betriebsstrom ab. Der Betriebsstrom sollte mit einer passenden PTC Sicherung limitiert werden. Das erhöht nicht nur signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren, sondern zudem die Effizient der Schaltung. Es gibt Kondensatoren die höhere Betriebstemperaturen zulassen, je höher desto stabiler.

Betriebsstunden:
Man kann Kondensatoren mit bestimmter Güte kaufen. Je höher die angegebenen Betriebsstunden (maximale Belastung) desto stabiler.

Kapazität:
Große Kapazitäten werden sehr teuer. Für ca, 1 Euro bekommt man ca. 4700 µF @ 16V. Große Kapazitäten und hohe Spannungen haben auch eine hohe Strombelastbarkeit. Bei Generatoren mit vielen Polpaaren bzw. hoher Frequenz lohnen sich ggf. auch kleinere Kapazitäten, z.B. 470 µF oder 100 µF, um den Ladestrom weiter zu erhöhen. Hier muss man wegen der geringeren Strombelastbarkeit ggf. Kondensatoren parallel schalten, was Strombelastbarkeit und Kapazität gleichzeitig verdoppelt.

Achtet man auf alle Faktoren, wird die Schaltung nahezu endlos halten für Anwendungen mit Windrad.
z.B. ist dieser Kondensator mit 16 V, 4700 µF, 3.82 A, 105°C, 10000h für 1 Euro, schon gut geeignet für 12 V Anwendungen.

Dimensionierung und Lebenserwartung PTC Sicherung:
Der wesentliche Einfluss auf die Lebenserwartung der PTC Sicherung ist die maximale Spannung im Betrieb.
Der Spannungswert der Sicherung soll mindestens so hoch sein, wie die maximale Akku Spannung,
Der Stromwert der Sicherung sollte:
+ bei niedrigen RPM eine Verdopplung zulassen
+ bei hohen RPM die Verdopplung limitieren
+ die Kondensatoren vor hohen Strömen schützen
Der Stromwert sollte maximal halb so hoch sein, wie der maximal zulässige Kondensator Strom.
Der Stromwert sollte ungefähr so hoch sein, wie der Strom der sich bei doppelter RPM (zum Ladebeginn) einstellt.
PTC Sicherung sind meist für DC spezifiziert und funktionieren hinreichend genau für AC aufgrund ihrer thermischen Funktionsweise.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 12 V Akku:
Ab ca. 6 Volt Phasenspannung beginnt der Ladebeginn für einen 12 V Akku.

Vorteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Der Ladebeginn erfolgt deutlich früher, ca. bei der Hälfte der RPM. Auch wenn die RPM für den Ladebeginn einer Drehstrombrücke erreicht werden, lädt diese Schaltung dann schon mit höheren Strömen.

Nachteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Das Windrad wird früher belastet. Reicht das Drehmoment des Repellers nicht, kann es sein, dass das Windrad, nicht oder nur sehr schlecht anläuft.

Automatische Strombegrenzung der Spannungsverdopplung
Mit Hilfe der PTC Sicherung, z.B. der PTC FRX07560F kann günstig (ca. 1 Euro) der Strom zum Verdoppeln z.B. auf 750 mA begrenzt werden. Die PTC Sicherung verbindet die Phase mit dem Mittelpunkt Abgriff. Hierdurch werden Effizienz Nachteile bei höherer RMP reduziert und die Belastungskurve in den unteren Drehzahlen wird MPPT ähnlich, weil eine fließende Spannungsanpassung erfolgt. Die Verwendung einer PTC Sicherung erhöht zusätzlich signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren. Die Sicherung begrenzt den Strom und schaltet, anders als andere Sicherungen, nicht ab und muss nicht manuell betätigt werden.

Hilfsakku statt Kondensatoren?
Theoretisch wäre es möglich anstelle der Kondensatoren auch Akkus einzusetzen um einen Mittelpunktabgriff zu konstruieren. Praktisch ist diese Lösung teurer und signifikant schlechter u.A. weil man weitere Akkus ins System bringt, die Ladeanforderungen haben die eingehalten werden müssen.

Kaskadieren von Verdoppel Schaltungen?
Theoretisch wäre es möglich die Spannung noch stärker zu vervielfachen. Diese Verdoppel Schaltungen haben jedoch auch Effizienz Nachteile. Grundsätzlich sollte in der Energietechnik die generierte Spannung in etwa passend vom Generator geliefert werden.

Fazit
Mit nur zwei Kondensatoren und einer PTC Sicherung kann aus einer B6U Brücke für wenige Euro, eine zuverlässige und effiziente Schaltung zum Verdoppeln und Anpassen der Spannung für eine 12 V Akkuladung erreicht werden. Die Spannungsanpassung ist hierbei in unteren Drehzahlbereichen MPPT ähnlich. Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich noch umgesetzt werden. Das Windrad muss ggf. noch zusätzlich abgebremst oder weiter belastet werden, wenn der Akku voll ist.

B6U Spannungsverdopplung in der Praxis

Der Dank für diesen Beitrag geht zunächst einmal an alle User die geholfen haben die Spannungsverdopplung in der Praxis zu erproben: Carl, WL01, Feldi, Famzim, Wtt-Betreiber, Levcuso und Che. Die Diskussionen haben gezeigt das Messungen in der Praxis unabdinglich sind, jedoch auch recht schwierig sein können, je nach dem welche Aussagen man treffen möchte, und ggf. auch starke Anforderungen an Messtechnik und Ausrüstung stellen.

Hier ein Bild von Carl, wie einfach eine, ein- und ausschaltbare Spannungsverdopplung am Doppel Akku realisiert werden kann.



Zwei baugleiche Akkus werden in Reihe geschaltet, indem Minus vom einen Akku zum Plus des anderen Akku verbunden werden und so den sogenannten Mittelabgriff ermöglichen.
Der übrige Plus Pol der Akkus, wird mit dem Plus Pol der B6U Brücke verbunden.
Der übrige Minus Pol der Akkus, wird mit dem Minus Pol der B6U Brücke verbunden.
Die drei Phasen vom Generator werden an die Wechsel Pole der B6U Brücke verbunden.
Eine der drei Phasen, hier die mittlere, grüngelbe, wird zusätzlich zum Mittelabgriff verbunden.
Wird die Verbindung zum Mittelabgriff wieder getrennt, arbeitet die Schaltung wieder wie eine normale B6U Brücke.

Hier eine Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse aus dem praktischen Betrieb.
+ Die Spannungsverdopplung am Doppel Akku mit Mittelabgriff ist oft sehr einfach und quasi kostenlos umzusetzen z.B. bei 24 V
+ Die Spannungsverdopplung mit Kondensatoren ist kostengünstig umsetzbar z.B. bei 12 V Akkus
+ Die Temperatur der Kondensatoren erhöht sich nur leicht, wenn diese unterhalb des halben Nennstroms betrieben werden
+ Beide Varianten verdoppeln tatsächlich die Spannung derart dass ein Ladebeginn ca. bei der Hälfte der RPM erfolgt
+ Manche Windräder/Standort Kombinationen lieferten ohne die Spannungsverdopplung vorher quasi keinen Strom
+ Die Spannungsverdopplung funktionierte bisher stabil ohne Ausfälle auch mit Kondensatoren
+ Bisher wurde kein Windrad aufgrund des früheren Ladebeginns abgewürgt, derart dass es nicht weiter hoch gelaufen wäre
+ Die Schaltung liefert, oft bessere Ergebnisse als einfache Windlader mit "Boost" Funktion, die dauerhaft über Standby den mühsam geladenen Strom und mehr verbrauchen
+ Der Akku muss oft noch zusätzlich vor Über- und Unterladung geschützt werden, das leistet diese Schaltung nicht
+ Das Windrad muss oft noch zusätzlich gebremst und belastet werden wenn der Akku voll ist, das leistet diese Schaltung nicht

Ein und Ausschalten mit einem Shelly UNI.
WL01 kann die Verdopplung mit einem Shelly UNI, der einen Strombedarf von <30mA/0,5 Watt hat ein und ausschalten.
Versorgt wird der Shelly UNI mit 12 - 36V DC oder 12 - 24V AC. Er kann analog eine Spannung von 0 bis 30VDC messen, hat 3 digitale Eingänge und kann zwei unabhängige, potentialfreie Stromkreise (36VAC und 24VDC) öffnen und schließen.
Passende Lösungen für Trigger zum automatischen An- und Ausschalten wären noch zusätzlich anzubinden und brauchen vermutlich wieder etwas Standby Leistung, um die 0,5 bis 1 Watt.
Der Shelly Uni ist vergleichsweise billig und kostet rund € 14,00.

B6U Spannungsverdopplung mit PTC Sicherung

Beim kritischen Prüfen ob eine B6U basierte Spannungsverdopplung für Kleinwindanlagen am Akku nützlich sein könnte, fallen recht schnell zwei Aspekte auf, die nicht ignoriert werden dürfen:

1. Windräder drehen mit wechselnder Drehzahl, also auch mit hohen Drehzahlen wo keine Spannungsverdopplung notwendig wäre. Ist die Spannungsverdopplung auch bei solch hohen Drehzahlen aktiv, kommt es zu Nachteilen in der Effizienz. Der Akku wird mit weniger Strom geladen im Vergleich ohne Spannungsverdopplung, nur mit B6U Brücke alleine.

2. Wenn eine Spannungsverdopplung mit Kondensatoren bei hohen Drehzahlen aktiv ist, werden die Kondensatoren ohne Vorteil mit hohen Strömen belastet. Das ist ungünstig für die Lebenserwartung bzw. kann die Kondensatoren zerstören wenn die Nennströme der Kondensatoren zu häufig überschritten werden.

Der Einsatz einer PTC Sicherung wird beiden Aspekten mit geringen Kosten und Aufwand gerecht und sorgt dafür das sich die Schaltung bei höheren RPM zunehmend, fließend, wie die normale B6U Brücke verhält.



Funktionsweise der PTC Sicherung:
Die PTC Sicherung ist ein extremer Kaltleiter, der kalt sehr gut leitet und fast keinen Widerstand hat. Wird die Sicherung mit mehr als dem Trigger Strom betrieben, steigt der Widerstand selbstverstärkend an, derart dass die PTC Sicherung den Strom auf den Nennstrom reduziert. PTC Sicherungen erhitzen sich hierbei bis auf über 100°C. Die PTC Sicherung trennt nicht, wie andere Sicherungen den Stromkreis, sondern begrenzt den Strom auf den Nennstrom. Aufgrund der thermischen Funktionsweise ist das Schaltverhalten träge.

Beispiel
Diese PTC Sicherung hat einen Nennstrom von 750 mA und eine Nennspannung von 60 V. Der Trigger Strom ist mit 1.5 A, doppelt so hoch. Wird der Trigger Strom überschritten, löst die Sicherung aus und reduziert auf 750 mA.

Dimensionierung der PTC Sicherung
Die Nennspannung sollte deutlich über der maximalen Systemspannung liegen. Je höher die Nennspannung desto länger die Lebensdauer. PTC Sicherungen sind recht gut mit einer Nennspannung 60 V zu bekommen.

Maximaler Nennstrom:
Der Nennstrom der PTC Sicherung darf maximal halb so hoch sein, wie der Nennstrom der Kondensatoren, um die Kondensatoren sicher zu schützen. Der Nennstrom der Kondensatoren ist im Datenblatt (data-sheet) angeben. Meist gibt es eine Tabelle wo die Werte in Abhängigkeit der Kapazität und Nennspannung stehen. Grundsätzlich gild: je größer die Bauform, der selben Serie, desto höher der Nennstrom. Je geringer die Frequenz desto höher der Nennstrom.

Minimaler Nennstrom:
Der Strom zum Verdoppeln soll limitiert werden wenn die RPM ausreichen um auch ohne Spannungsverdopplung zu laden.
Vereinfacht, kann der DC Ladestrom, der sich bei doppelter RPM zu dem neuen Ladebeginn einstellt, als Nennstrom für die PTC Sicherung gewählt werden. Wird der DC Ladestrom am Akku mit Mittelabgriff ermittelt, so muss dieser noch rechnerisch verdoppelt werden, weil der gleiche Strom Wert, auf anderem Strompfad, auch durch den zweiten Akku fließt.
Nimmt man einen kleineren Nennstrom, bevorzugt man die höherer Effizienz bei mehr RPM.
Nimmt man einen höheren Nennstrom, bevorzugt man die höherer Effizienz bei weniger RPM.
Insofern kann hiermit die Ladekurve noch etwas an den Standort angepasst werden.

Beispiel Auswahl: Neuer Ladebeginn wäre mit Verdopplung bei 120 RPM. Bei 240 RPM fließen 650 mA Ladestrom. Die Eine passende PTC Sicherung wäre hier z.B. 750 mA, was bei höheren RPM effizienter ist.
Die Kondensatoren müssen mindestens 1500 mA vertragen um sicher und dauerhaft geschützt zu sein.
Zum Beispiel bei Reichelt, gibt es 60 V PTC Sicherungen in hinreichend feiner Strom Abstufung für ca. 1 Euro.
Eine andere Möglichkeit wäre 1000 mA, was bei niedrigeren RPM effizienter ist.

Alternativ kann man den Nennstrom der PTC Sicherung über die angedachte erhöhte Ladeleistung abschätzen. Mit der Verdopplung sind etwa 10 W .. 20 W mehr Ladeleistung im unteren RPM Bereich möglich. Beim 12 V Akku wäre wohl etwa 1000 mA Nennstrom passend. Beim 24 V Akku ca. 750 mA. Und in beiden Fällen Kondensatoren mit mindestens dem doppelten Nennstrom.

Anwendung am Kleinwindrad
Das träge Schaltverhalten der PTC Sicherung ist günstig. Erst wenn länger, also nachhaltig, höherer Drehzahlen herrschen wird der Strom zum Verdoppeln limitiert und die B6U Brücke stärker genutzt. Das die PTC Sicherung nicht trennt, sondern den Strom nur begrenzt ist ebenfalls günstig. Hierdurch erfolgt die Umleitung auf die B6U Brücke fließend und die Belastung steigt kontinuierlich mit zunehmender RPM. Es entsteht kein sogenanntes Leistungsloch und der Vorteil der Schaltung bleibt immer, also auch bei mittleren RPM, reduziert, erhalten.

Hinweise zur Montage
Die PTC Sicherung muss von Luft umgeben eingebaut werden. Sie darf keine anderen, Wärme leitenden, Bauteile berühren. Sonst würde die Sicherung nicht oder stark verzögert auslösen. Andere Bauteile dürfen in der Nähe sein, auch wenn diese Wärme abgeben. Die PTC Sicherung kann in temperaturstabile Dämmstoffe eingesetzt werden. Beides sorgt dafür dass die die Sicherung schneller auslöst. PTC Sicherungen können recht kleine unhandliche Bauformen haben, z.B. 5 mm und kleiner, siehe Datenblatt. Es kann sinnvoll sein größere Bauformen zu wählen, z.B. indem man eine höhere Nennspannung nimmt.

Hinweise zur Prüfen
Im kalten Zustand ist die PTC Sicherung durchlässig, lässt sich also durchklingeln, piepsen, bzw. zeigt bei einer Widerstandsmessung Werte nahe 0 Ohm an. Wenn man die PTC Sicherung mit Feuer oder Heißluft auf erwärmt,
zündet die Sicherung und wird hochohmig, was messbar ist.

Fazit:
Die PTC Sicherung ist laut Datenblatt sehr gut geeignet die B6U Spannungsverdopplung effizient, sicher und kostengünstig automatisch zu steuern.

B6U Spannungsverdopplung mit Kondensator und PTC Sicherung am Akku praktisch getestet

Unser User Carl hat sich die Mühe gemacht die entwickelte Schaltung in der Praxis zu testen.
Ziel dieses Tests ist die Wirkung der PTC Sicherung auf Ladeströme bei hohen Drehzahlen zu zeigen.

Zur Erinnerung:
Die Spannungsverdopplung mit Kondensator wirkt sehr gut bei niedrigen Drehzahlen. Bei hohen Drehzahlen, ist die Verdopplung nicht nötig, die Spannung reicht auch so um den Akku zu laden. Bei hohen Drehzahlen, zeigte sich die Verdopplung mit Kondensator kontraproduktiv und reduzierte den Ladestrom verglichen nur mit B6U Brücke. Die PTC Sicherung soll deswegen den Kondensator Strom begrenzen (schonen) und dazu führen bei hohen Drehzahlen ähnlich effizient wie die B6U Brücke zu laden.

Verglichen wurde deshalb das Ladeverhalten verschiedener Konstellationen:
850 RPM 2.0 A nur mit B6U
850 RPM 1.6 A mit B6U und 4700 µF Kondensator
850 RPM 2.0 A mit B6U, 4700 µF Kondensator und 500 mA PTC Sicherung

Hinweis:
Der gemessene Strom schwankte um etwa +- 0.2 A, es wurde ein Mittelwert gewählt.
Die PTC Sicherung ist mit 500 mA extra recht klein gewählt worden um das Auslöseverhalten einfacher messen zu können.

Die Messung zeigt eindeutig, das die PTC Sicherung die Nachteile des Kondensators bei hohen Drehzahlen, wie erwartet, minimiert. Die Spannungsverdopplung sollte immer mit PTC Sicherung limitiert werden. Vielen Dank an Carl für diese Messungen. Hierdurch wurden die theoretischen Überlegungen bestätigt und es können solch klar formulierte Aussagen gemacht werden.


850 RPM 2.0 A nur mit B6U




850 RPM 1.6 A mit B6U und 4700 µF Kondensator




850 RPM 2.0 A mit B6U, 4700 µF Kondensator und 500 mA PTC Sicherung




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Bitte meldet Fehler, Anregungen, Ergänzungen und Hinweise. Bitte fragt oder diskutiert hier auch gerne. Ich versuche die Erkenntnisse dann einzuarbeiten und räume später auf um die Inhalte so übersichtlich wie möglich zu halten. Danke!