Referenzdesign kombiniert ICs und MBDF-Firmware SolarMagic-Chipsatz erkennt Lichtbögen in PV-Anlagen


Das Referenzdesign von National Semiconductor erkennt Lichtbögen in PV-Anlagen und schützt damit die Infrastruktur und Personen.
Das Referenzdesign von National Semiconductor erkennt Lichtbögen in PV-Anlagen und schützt damit die Infrastruktur und Personen.

Das neue Referenzdesign von National Semiconductor erkennt gefährliche Gleichstrom-Lichtbögen in Photovoltaik-Anlagen. Es besteht aus fünf ICs und der von National entwickelten Multi-Band-Dynamic-Filtering-Firmware (MBDF).

In PV-Anlagen können Wackelkontakte oder Isolationsfehler dazu führen, dass in Gleichstromkreisen Lichtbögen hoher Energie entstehen, die Temperaturen von über 3.000 °C erreichen und ein Sicherheitsrisiko sowohl für die umgebende Infrastruktur als auch für Personen darstellen. Der U.S. National Electrical Code (NEC) 690.11 aus dem Jahr 2011 schreibt für alle neuen PV-Anlagen ein System zur Erkennung und Unterbindung von Lichtbögen vor. Das Referenzdesign von National erkennen den Lichtbogen und lösen einen Alarm aus, auf den hin das System abgeschaltet werden kann, um den Lichtbogen erlöschen zu lassen.

Lichtbögen in PV-Anlagen sind schwierig festzustellen, denn ein Lichtbogen hinterlässt keine eindeutig identifizierbare elektronische Signatur. Hinzu kommt, dass die Strom führenden Leitungen in einer PV-Anlage überaus effektive Antennen für ein breites Spektrum elektromagnetischer Interferenzen im Umfeld des Modulfelds sind. Darüber hinaus erzeugen auch die Wechselrichter Störungen, die in die Strom führenden Leitungen induziert werden.

»Deshalb ist ein ausgefeiltes Signalverarbeitungs-Konzept erforderlich, um einerseits das gesamte Spektrum gefährlicher Lichtbogen-Ereignisse zuverlässig zu erkennen und andererseits Fehlalarme während des ordnungsgemäßen Betriebs der PV-Anlage zu vermeiden«, sagt Dr. Christoph Goeltner von National Semicondcutor. Das Unternehmen hat ein solches Signalverarbeitungs-Konzept entwickelt und zum Patent angemeldet. Die MBDF-Firmware nutzt dabei ein abstrahiertes Mustererkennungs-Verfahren, das nicht darauf angewiesen ist, dass die Lichtbogen-Signatur exakt einer strikt vorgegebenen Form entspricht.

Der SolarMagic-Chipsatz von National besteht aus fünf ICs. Der SM73201MM, ein 16-Bit-Micropower-ADC mit Abtastraten von 50 bis 250 KSPS und differenziellem Eingang, digitalisiert das Lichtbogensignal nach der Verstärkung und Filterung im Analog Front End (AFE) und sendet das daraus erzeugte digitale Signal an den Mikrocontroller. Der SM73308MG ist ein rauscharmer Operationsverstärker mit geringem Offset und Rail-to-Rail-Ausgang, der den Mittelpunkt der Referenzspannung Vref für das Lichtbogenerkennungs-AFE festlegt. Der SM73307MM, ein präziser, rauscharmer 17-MHz-Doppelverstärker mit CMOS-Eingang, dient zur Verstärkung und Filterung des Lichtbogen-Signatursignals. Außerdem umfass der Chipsatz zwei weitere Power-Management-Bausteine von National. Das Referenz-Design nimmt eine Fläche von 70 x 25 mm ein. Es ist kompatibel mit verschiedenen kostengünstigen DSPs.

Die Empfindlichkeit der Lichtbogenerkennung lässt sich auf die Anforderungen der Kunden einstellen. Die Erkennungszeit gibt National mit 200 ms an.

Die Chips lassen sich in Combiner-Boxes und String-Wechselrichter der Leistungsklasse bis 10 kW direkt integrieren. Laut Christoph Goeltner hat das Referenz-Design bereits einiges Interesse auf sich gezogen, es seien bereits Design-in-Aktivitäten mit mehreren Herstellern von Wechselrichtern im Gange.

Das Lichtbogenerkennungs-Referenzdesign RD-195 mit Evaluation Board, Stückliste und Schaltplan kann unter http://www.national.com/rd/RDhtml/RD-195.html heruntergeladen werden. Der ab sofort lieferbare SolarMagic Lichtbogenerkennungs-Chipsatz wird in verschiedenen Industriestandard-Gehäusen angeboten und kostet 7,90 US-Dollar (ab 1.000 Stück) einschließlich einer Lizenz für die MBDF-Firmware. Weitere Informationen gibt es unter http://www.national.com/en/solarmagic/index.html.