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Hallo Forum,

ich bin "blutiger" Anfänger in analoger Schaltungstechnik und möchte mich damit beschäftigen, um zu lernen. Dazu habe ich mir vorgenommen mit einem MPP-Tracker, den ich dann wirklich auch bauen will, zu starten.

Ich habe mich in folgende Themen eingelesen, soweit ich das im Web konnte:

1. Grundlegende Arbeitsweise eines MPP-Tracker
Hier habe ich herausgefunden, dass ein MPP-Tracker eigentlich ein DC-DC-Wandler ist, der eine konstante Ausgangsspannung abgibt und die Eingansspannung über PWM in einem Bereich "abfährt", die aufgenommene Leistung in diesem Bereich misst und das Maximum einstellt.

2. Grundlegende Arbeitsweise eines Tiefsetzstellers (Step-Down-Wandler)
(hier: http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/abw_hilfe.html)
und dessen Berechnung
(hier: http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/abw_smps.html)
Bei der Berechnung habe ich folgende Parameter eingegeben:
Vin: 32V, Vout: 13,6V, Iout: 44A, Schaltfrequenz: 60 kHz
Als Ausgabe habe ich bekommen, dass ich eine Spule mit 8,12 uH verwenden soll und die PWM auf 7,29uS/9,83uS einstellen muss.

3. Dann habe ich mir LTSpice heruntergeladen und eine Step-Down-Schaltung mit einem Schalter als steuerndes Element konstruiert:



Ich bekomme folgende Ausgangskurve:



was ja für den ersten Versuch nicht so schlecht ist.

Das Vout nur 7,x Volt schob ich auf LTSpice und die mir unbekannten Werte der (Standard-)komponenten, weil ich es mir anders nicht erklären konnte. Wenn ich nun die Pulsweiten modifiziere, ergibt sich keine Änderung der Ausgangsspannung. Als ich dann jedoch den Lastwiderstand R1 erhöhte (der ursprüngliche Wert war 0,3 Ohm für Vout=13,6V / Iout=44A), änderte sich die Spannung Uout.

Jetzt vermute ich, dass ich etwas falsch verstanden habe:
Ich meine gelesen zu haben, dass die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers nur abhängig von der Induktivität und der PWM, nicht aber von der Last am Ausgang ist. Meine Ergebnisse zeigen genau das Gegenteil.

Mach ich etwas falsch, habe ich einen Denkfehler oder ist die Schaltung falsch?

Viele Grüße

Uwe

» Hallo Forum,
»
» ich bin "blutiger" Anfänger in analoger Schaltungstechnik und möchte mich
» damit beschäftigen, um zu lernen. Dazu habe ich mir vorgenommen mit einem
» MPP-Tracker, den ich dann wirklich auch bauen will, zu starten.

Ich bin Stundent im Bereich Physik, speziell Atomphysik.
Ich habe mir als Einstieg vorgenommen, ein Atomkraftwerk zu bauen...

Ich hoffe, du nimmst mir meine Frozzelei nicht übel.
Aber einen MPPT zu bauen ist nicht ganz so einfach, der Stepdown Wandler ist nur die halbe Miete.
Kannst du µC programmieren?

Poste die Simulationsdateien.

» Ich meine gelesen zu haben, dass die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers
» nur abhängig von der Induktivität und der PWM, nicht aber von der Last am
» Ausgang ist. Meine Ergebnisse zeigen genau das Gegenteil.
»
» Mach ich etwas falsch, habe ich einen Denkfehler oder ist die Schaltung
» falsch?

Du hast wohl übersehen, dass der Schalter als Standard einen Widerstand von 1 Ohm hat.

https://www.mikrocontroller.net/topic/204946#2021817

Und bei der Diode solltest du auch nicht die Standarddiode nehmen.

» » Hallo Forum,
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» Ich hoffe, du nimmst mir meine Frozzelei nicht übel.
» Aber einen MPPT zu bauen ist nicht ganz so einfach, der Stepdown Wandler
» ist nur die halbe Miete.
» Kannst du µC programmieren?
Das ist kein Problem. Das ist mein Beruf.

An der Analogtechnik hapert es...

Nach weiterem Lesen, wie ein Step-Down-Wandler funktioniert und in welchen Modi er arbeitet, bin ich glaube ich etwas weiter. Wegen des Tipps bezüglich des Widerstand des Schalters, bin ich auf reale Bauteile umgestiegen:




Die Ausgangsspannung ist noch (gegenüber den Berechnungen) etwas zu hoch, pendelt aber im Rhythmus der PWM-Grundfrequenz, was nicht richtig ist???



Anbei mein LTSpice-Dokument:

https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20220828203622.asc

Meine Fragen:
1. Warum schwingt die Ausgangsspannung, oder ist das normal bei einem Step-Down-Wandler?
2. Kann man die etwas zu hohe Ausgangsspannung auf parasitäre Werte der Bauteile schieben, was ja nicht sonderlich schlimm wäre, weil ich es durch das Anpassen der PWM ändern kann?

Viele Grüße

Uwe

Eventuell nochmal eine grundsätzliche Verständnisfrage:

Wenn der Abwärtswandler im nichtlückenden Betrieb läuft, muss die PWM wieder einschalten, bevor der Spulenstrom 0 wird. Da der Strom durch die Induktivität jedoch beim Laden (durchgeschalteter MOSFET) steigt und bei ausgeschaltetem FET fällt, ist die schwingende Ausgangsspannung, die ja über R1 abfällt, normal.
Müsste aber der Kondensator C1 sich bei eingeschaltetem FET nicht aufladen und bei abgeschaltetem FET seine Ladung abgeben und dementsprechend die Ausgangsspannung stabilisieren?

Uwe

» 1. Warum schwingt die Ausgangsspannung, oder ist das normal bei einem
» Step-Down-Wandler?

Ganz normaler Ripple.


» 2. Kann man die etwas zu hohe Ausgangsspannung auf parasitäre Werte der
» Bauteile schieben, was ja nicht sonderlich schlimm wäre, weil ich es durch
» das Anpassen der PWM ändern kann?

Kann schon sein.

» Müsste aber der Kondensator C1 sich bei eingeschaltetem FET nicht aufladen
» und bei abgeschaltetem FET seine Ladung abgeben und dementsprechend die
» Ausgangsspannung stabilisieren?

Das macht er ja auch. U=Q/C

» Müsste aber der Kondensator C1 sich bei eingeschaltetem FET nicht aufladen
» und bei abgeschaltetem FET seine Ladung abgeben und dementsprechend die
» Ausgangsspannung stabilisieren?
»
» Uwe

Mach mal probehalber den Kondensator wesentlich kleiner und beobachte die Simulation

» Mach mal probehalber den Kondensator wesentlich kleiner und beobachte die
» Simulation
Bis auf 10uF bleibt das Ripple gleich, wenn ich auf 1uF runter gehe, wird die Amplitude des Ripple doppelt so groß.

Ok - danke schon mal soweit. Ich glaub' dass ich das kapiert habe.

Wo ich jetzt aber völlig "im dunkeln stehe" ist, dass ich ja am Ausgang einen Akku zum Laden anschliessen und die Eingangsspannung über die PWM anpassen möchte. Der Akku wird mir wohl die Spannung am Ausgang fest auf einen Wert ziehen und der Innenwiderstand des Akkus wird sich, je nach Ladezustand, ändern.

Wie aber stelle ich die Eingangsspannung ein - oder wird die automatisch mit der PWM modifiziert, wenn die Ausgangsspannung fest ist?

Nach einigem Überlegen stelle ich mir das so vor:

Am Ausgang ist der Akku; den Ladestrom kann ich durch die PWM anpassen. Durch den Ausgangsstrom des Stepdown-Wandlers wird sich automatisch auch der Eingangsstrom anpassen. Wenn am Eingang mehr Strom fließt, wird sich nach U=P/I bei gleicher Leistung des Solarmoduls die Spannung sinken und vice versa.
Da der MPP-Tracker das Leistungsmaximum ermitteln soll, wird die Leistung aber nicht konstant sein.
Dementsprechend ist der Strom am Ausgang im möglichen Bereich "abzufahren" und für jeden PWM-Step die Spannung und der Strom am Eingang zu messen und das Produkt zu bilden.
Kann jemand nachvollziehen ob ich mit meinen Gedanken richtig oder falsch liege?

Hallo usolleder
Ja, vom Prinzip her geht das so. Gib Deiner Schaltung aber jedes mal genug Zeit, um sich einzuschwingen. MPPT Regler laufen eher langsam, weil es sonst zu Stromoszillationen gehen könnte.
Mit vielen freundlichen Grüssen Thomas

» Wo ich jetzt aber völlig "im dunkeln stehe" ist, dass ich ja am Ausgang
» einen Akku zum Laden anschliessen und die Eingangsspannung über die PWM
» anpassen möchte. Der Akku wird mir wohl die Spannung am Ausgang fest auf
» einen Wert ziehen und der Innenwiderstand des Akkus wird sich, je nach
» Ladezustand, ändern.
Richtig.
Kannst ja mal eine Spannungsquelle in deine Simulation packen und schauen, was die dazu sagt.

Unnötig zu erwähnen, dass ein 500W Schaltregler nicht trivial ist. Geht schon bei der Spule für einen Ausgangsstrom von 50A los. Dann die hochfrequente Ansteuerung des MOSFETs, so wie in der Simulation, wird das in der Praxis nichts. Bei so einer Schaltung, ist praktisch jedes Bauteil kritisch zu betrachten.

» Kannst ja mal eine Spannungsquelle in deine Simulation packen und schauen,
» was die dazu sagt.
Das habe ich schon gemacht. Da kommt aber nichts "Gescheites" bei raus.

» Unnötig zu erwähnen, dass ein 500W Schaltregler nicht trivial ist. Geht
» schon bei der Spule für einen Ausgangsstrom von 50A los. Dann die
» hochfrequente Ansteuerung des MOSFETs, so wie in der Simulation, wird das
» in der Praxis nichts. Bei so einer Schaltung, ist praktisch jedes Bauteil
» kritisch zu betrachten.
Das habe ich mir schon gedacht und befürchtet. Ich bin aber auch erst mal froh, dass ich das System dahinter verstanden habe und eine Bestätigung bekommen habe, dass meine Gedanken dazu richtig waren.
Ich werde erst mal mit einer kleineren Version anfangen und mich dann an größere Lasten herantasten und dabei sicher wieder viele Fragen stellen müssen...