Experimente mit einem Step-Down-Wandler

Um mal etwas in die Praxis zu gehen und zu sehen was so ein Standard Step-Down-Wandler wirklich macht , habe ich einige konkrete Messungen vorgenommen, die sehr aufschlussreich für mich waren.

Zunächst der Versuchsaufbau:
Generator an Bohrmaschine mit 3 festen Drehzahlen (langsam, mittel, schnell)
dann Gleichrichter, Wattmeter, Step-Down-Wandler, Wattmeter und 12V Batterie
mit folgenden Messreihen:

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Erkenntnis Nr.1
So ein 10€ -Step-Down-Wandler tut was er soll und macht wirklich einen großen Unterschied zum Direktanschluss, gerade bei höheren Drehzahlen. Die Wirkungsgrade sind mitunter doppelt so hoch und die Erwärmung des Generators hält sich in Grenzen. Sozusagen ein Game-changer..Auch lässt er sich sehr genau über die Potentiometer einstellen.

Erkenntnis Nr.2
Die Eingangsspannung am Step-Down-Wandler entspricht nicht der Leerlaufspannung des Generators, sondern reduziert sich mit zunehmender Belastung. Bei hoher Belastung fast auf den Wert des Direktanschlusses bei kleinerem Wirkungsgrad. Im mittleren Belastungsfeld scheint das Optimum zu liegen (außer bei kleinen Drehzahlen, dort liegt der größte Wirkungsgrad bei höherer Belastung)

Erkenntnis Nr.3
Die eingestellte Ausgangsspannung am Step-Down-Wandler von 14,5V (Ladeendspannung) wird (logischerweise) ein Stück weit in Richtung aktuelle Batteriespannung gedrückt und scheint dem Wandler wenig auszumachen. Die Erwärmung war nie sehr groß. Die elektrischen Verluste sind mit wenigen Watt verschmerzbar. Eine Reduzierung der Ausgangsspannung in Richtung Batteriespannung bringt weniger Leistung und im Verhältnis auch keine geringeren Verluste.


Erkenntnis Nr.4
Solange die Batterie genügend Aufnahmekapazität hat läuft alles ziemlich stabil mit wenig Schwankungen und akzeptablen Wirkungsgraden. Je näher man der Ladeendspannung kommt, desto kleiner wird die abgenommene Leistung, und desto schlechter wird der Wirkungsgrad. Jedoch erst kurz vor Ladeschluss, dann aber immer schneller. Das ist natürlich ein Problem, das mit einem Lastwiderstand aufgefangen werden muss, da sonst der Rotor stark überdrehen würde

Fazit: Mit so einem einfachen Step-Down-Wandler kommt man der Lösung schon ziemlich nahe. Das einzige was im Grunde noch fehlt, ist ein variabler Widerstand der je nach Drehzahl den richtigen Wert haben muss.

Daher eine neue Überlegung – wie wäre es wenn man diesen Widerstand nicht kontinuierlich mit der Drehzahl ändert, wofür man einen Microcontroller benötigen würde, sondern eine einfache Schaltung entwirft, die je nach Spannung ein paar definierte Widerstände (oder auch Potis) ansteuert. Dann hätte man eine treppenförmige (einstellbare) Leistungskurve, die zwar nicht ganz ideal ist, aber dafür sehr günstig. Die Verluste sollten sich dennoch in Grenzen halten, da der Rotor tendenziell zwar leicht überdreht, dafür aber auch schneller wieder auf Touren ist und quasi zwischen diskreten Ladeleistungen hin und her pendelt. Je mehr Widerstände man verwendet, desto genauer kann die Leistungstreppe eingestellt werden.
Wie könnte so eine „Kaskaden-Schaltung“ (oder wie man das nennt) aussehen? Vermutlich ein Standardproblem der Elektrotechnik..?

Das wäre wohl ein "Fenster(spannungs)diskriminator", aber da brauchst du noch für jeden Lastwiderstand ein Relais. Am Ende zahlst du dafür mehr, als für einen Microcontroller und MosFet mit PWM Steuerung.

Das sind beides Optokoppler, nur im Gegensatz zu den meisten Bauteilen in dieser Bauteilgruppe nicht nur on/off, sondern analog. Optokoppler sind normalerweise praktisch LED und Phototransistor in einem Gehäuse und werden üblicherweise dazu verwendet Schaltungsteile stromtechnisch zu trennen und Signale von einem Schaltungsteil in den andren zu übertragen.
Diese Beiden können das analog, sprich der Widerstand auf der Ausgangsseite ist proportional zum Strom der in die LED fließt.
In meinem Fall nehme ich den StepUp von der Stange und schalte einen solchen optisch gesteuerten Widerstand zu dem Einstellpoti parallel, an der Ursprungsschaltung muss ich dann keine anderen Veränderungen vornehmen als einen Draht an zu löten.

Ich steuere in meiner Schaltung den Widerstand mit einer Schaltung aus Operationsverstärkern, zumindest ist das aktuell der Stand, weil die Anforderungen relativ überschaubar sind. Bei mir lineare erhöhung der Ausgangsspannung parallel zur Eingangsspannung weil mein Netzwechselrichter keine niedrigen Spannungen mag. Da geht OPV gut für, die Strombegrenzung bei Deinem Projekt ist da etwas kniffliger, hier würde sich ein Arduino zur Ansteuerung anbieten.

Der IL 300 gibts z.B. da, da gibts auch das Datenblatt dazu:
https://www.googleadservices.c…is=8&dct=1

Den NSL-32SR2 gibts da, auch mit Datenblatt:
https://www.digikey.de/de/prod…myEALw_wcB

theoretisch schon, müsst ich aber am Gerät testen / messen ... zumindest müsst man wissen wie der Einstellpoti beschaltet ist und was der für n Wert hat und ob Widerstand erhöht oder gesenkt werden muss für Regelung.

Operationsverstärker verstärken die Spannungsdifferenz zwischen 2 Anschlüssen ( + / - ) der Verstärkungsfaktor ist bei nackigem OPV im Prinzip gegen unendlich, ergibt sich dann aus der äußeren Beschaltung, der Verstärkungsfaktor kann sowohl poitiv sein, also die Spannung verstärken, er kann 1 sein, also Eingangsspannung = Ausgangsspannung und er kann auch negativ sein, also kleinere Ausgangsspannung als Eingangsspannung, je nach Beschaltung.
Stromfluss können sie über den Umweg Spannung auch verstärken, in der Regel kommt dann an den Ausgang ein Transistor als Stromtreiber.

Keinesfalls kann ein solcher optisch gesteuerter Widerstand große Ströme treiben, er kann analoge Signale von einem Schaltungsteil zu einem zweiten potentialfrei übertragen, sonst nichts. In meinem Fall hat das Poti 600 k-Ohm dem ich den Photomos parallel schalte, das passt sehr gut, wie gut es in Deiner Schaltung passt weiß ich nicht, da fehlen mir die Details zur Beschaltung.

Nachteilig bei Optokopplern ist die nicht lineare Übertragungskennlinie. Auch ist man gebunden daran, dass sie irgendwie zum Poti passen müssen. Zudem kann ein Poti wirklich als solches beschaltet sein, nicht nur als regelbarer Einzelwiderstand.

Richtig elegant wäre es, tatsächlich die Schaltung auf zu nehmen, und die Gestaltung des Regelkreises zu ergründen. Und den um zu stricken, weg von auschließlich regeln auf U_constant am Ausgang.

Wenn ich jetzt sagen würde na klar wäre es Übertretung meiner Möglichkeiten in dieser Sache.
Daher muss ich Dir das einfach mal glauben. Da Vertrauen sogar gerne.

Nur war in den Datenblättern zuvor der NSL-32SR2 behandelt worden. Da ist die ÜB-kennlinie eben durchaus nicht linear.

Nachtrag:
ÜB-Kurve vom IL300 wohl tatsächlich linear:



Na dann...

Der OPV am Ausgang dient der Wandlung von Diodenstrom zu Spannung.

Ich habe an meinem Step-Down-Converter

https://www.ebay.de/itm/403901319481

einfach mal direkt an der Platine den Widerstand am Potentiometer gemessen, das die Stromstärke steuert. Bei geringen Stromstärken waren es nur wenige Ohm, bei höheren steigen die Werte auf mehrere 1000 Ohm. Ist also nicht gerade linear und für meine Logik falsch herum. Auch die große Spannweite verstehe ich nicht. Aber im Prinzip wäre dieser nichtlineare Verlauf vielleicht ganz gut kompatibel mit dem ebenfalls nicht linearen Verlauf der analogen Optokoppler, wenn die Logik stimmt..?
Es bleibt aber trotzdem das Problem mit der Ansteuerung des Optokopplers. Wie würde man diesen eigentlich mit einem Microcontroller steuern?

Ich stelle mir das grob so vor (mit Arduino Uno):
Anschluss des Generators am "ANALOG IN" Eingang.
Anschluss des Optokopplers (oder Mosfets ?) am "DIGITAL PWM" AUsgang

Messen der Eingangsspannung die als Variable im Programm irgendeinen Wert bekommt.
Je nach Wert dieser Variable wird am Ausgang eine bestimmte Spannung/Leistung angelegt (oder wenn das nicht geht ein PWM-Signal angelegt). Dieses lässt die Leuchtdiode des Optokopplers verschieden hell leuchten und damit ließe sich der Widerstand einstellen.
Blöd ist, dass der Arduino nur 20V maximale Eingangsspannung erlaubt. Kann man das einfach mit einem einfachen Vor- Widerstand lösen? Genauso die Stromversorgung des Arduino selbst. die sollte im Idealfall vom Generator kommen, so dass bei Windstille kein Strom aus der Batterie gezogen wird.

Die Programmierung in C++ sollte eigentlich nicht so das große Problem sein.
Könnte das so in etwa klappen?

Ich denke, nachdem diese Microcontroller sehr günstig sind, lohnt es sich, einen zu bestellen und ein wenig zu experimetieren..

Ok dann werde ich wohl einen Arduino-Klon bestellen und diesen

kleinen Arduino Step-Down zusätzlich für die Betriebsspannung. Der hat einen Eingangsspannungsbereich von 6-80V und Ausgangsspannung von 5-20V - passt also genau.

Nur wie bringe ich die Generatorspannung proportional von0-80V auf 0-20V runter um diese mit dem MC messen zu können?
Und dann schließlich die Frage ob Optokoppler oder Mosfet? Eigentlich sollten beide programmtechnisch mittels PWM auf den richtigen Widerstandswert gebracht werden können, solange ihre grundsätzliche Bandbreite stimmt. Vielleicht eine konkrete Idee?

Für den Dump-Load muss ich mir auch noch eine Lösung überlegen - also an einem zweiten Eingang die Batteriespannung messen und bei Erreichen der Ladeendspannung ein Relais schalten das den ganzen Generatorstrom durch den Heizwiderstand leitet..?

Ich habe mir auch überlegt - wenn schon Microcontroller, dann kann man ja auch gleich ein MPP-Tracking programmieren. Also im Loop immer wieder abfragen ob sich die Spannung erhöht hat und wie stark. Dann entsprechend der Stärke mehr belasten. Analog sobald die Spannung runter geht, weniger belasten. Mehr sollte doch eigentlich nicht dahinterstecken..?