Zwischen getaktet und linear Einfacher Solar-Laderegler

Einfache Abhilfe bei den Nachteilen des Linearreglers.
Einfache Solar-Ladeschaltung vermeidet die Nachteile des Linearreglers und des Schaltreglers.

Mit steigender Leistung nehmen die Nachteile des Linearreglers so stark zu, dass die Nachteile des Schaltreglers akzeptiert werden müssen. Dieser Übergang erstreckt sich auf einen Bereich, in dem eine dritte Regelschaltung, ein Zwei-Punkt-Regler, Vorteile durch seine Einfachheit bietet.

Meistens werden Schaltregler eingesetzt, wenn Akkus per PV-Zellen im Leistungsbereich 10 W bis 100 W geladen werden sollen. Schaltregler haben den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades und vereinfachen die MPP-Regelung (Maximum Power Point). Allerdings benötigen sie eine Induktivität, sind komplexer und erzeugen hochfrequente Störsignale. Eine einfachere Alternative zum Schaltregler ist im Bereich bis 20 W eine linear geregelte Ladeschaltung. Sie ist erzeugt keine Störsignale, aber Wärme, die mittels Kühlkörper abgeführt werden muss. Die Vorteile des Linearreglers gegenüber dem Schaltregler werden durch den großen, teuren und schwer zu montierenden Kühlkörper relativiert.

Ein sogenannter Hysterese-Regler, der das PV-Panel je nach Ladezustand des Akkus zu- oder abschaltet, bietet Abhilfe – ohne Induktivität, Komplexität, Kühlkörper und Störsignale.

Er lässt sich in Serien- oder Parallelschaltung realisieren. Die Serienschaltung unterbricht die Verbindung zum PV-Panel, wenn der Akku ganz geladen und die maximale Ladespannung erreicht ist, und schaltet sie wieder ein, wenn die Akkuspannung unter den unteren Schwellwert fällt. Das Hauptproblem der Serienschaltung liegt in der Ansteuerung des Schalttransistors, der mit der positiven Akkuspannung verbunden ist. Für die Treiberstufe wird entweder eine Ladungspumpe für einen N-Kanal-MOSFET benötigt oder eine auf die Akkuspannung dimensionierte Schaltung für einen P-Kanal-MOSFET.

Die empfohlene Parallelschaltung zeigt Bild 1. Hier ist Schalter (S) offen, wenn die Akkuspannung unter eine bestimmte Schwelle fällt. So ist das Laden durch das PV-Panel möglich. Überschreitet die Akkuspannung eine zweite, höhere Schwelle, schließt der Schalter und leitet den Strom des PV-Panel gegen Masse. Diode D schaltet den Akku ab, wenn S das PV-Panel auf Masse legt. Der Schalter ist ein N-Kanal-MOSFET, direkt angesteuert vom Ausgang des auf Masse bezogenen Komparators.

Ein Spannungsüberwachungs-IC als Regler

Eine komplette Schaltung für einen parallel arbeitenden Hysterese-Regler zum Laden eines 12-V-Bleiakkus, mit dem Spannungsmonitor-IC LTC2965 als Regler, zeigt Bild 2. Der Arbeitsbereich des LTC2965 reicht von 3,5 V bis 100 V. Er deckt somit den Spannungsbereich eines 12-V-Akkus mit reichlich Reserve ab. Für den Betrieb des IC genügen 40 µA , einschließlich der Gate-Ansteuerung des Leistungs-MOSFET.

Der LTC2965 enthält einen 10:1-Spannungsteiler (78 MΩ), der die Akkuspannung am UE-Anschluss detektiert. Die Schwellwerte werden mit einer präzisen 2,412-V-Referenz (Toleranz: 0,5 %) über einen separaten, externen Spannungsteiler erzeugt und mit der herabgesetzten Spannung an UE verglichen. Mit dieser Schaltung kann auf präzise hochohmige Widerstände im Hauptspannungsteiler verzichtet werden.

Die Hysterese ergibt sich durch das Umschalten des invertierenden Eingangs des Komparators zwischen den INH- und INL-Anschlüssen, an denen die Spannungen für die obere und untere Schwelle anliegen. Diese Schwellenwerte bestimmen jeweils die Spannung, bei der das Laden des Akkus beginnt und stoppt.