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Kleines Bastelprojekt zur Sommerzeit

Solarmodul

Als Mini – Bastelprojekt zur Sommerzeit bezeichne ich folgende Bastelei. Ein kleines monokristallines Solarmodul mit der Bezeichnung „SM 6“ von einem bekannten, großen Elektronikdistributor der mit „C“ beginnt und mit „d“ endet, spielt in dem Projekt die Hauptrolle. Das Modul hat eine Nennleistung von 6Wp bei einem maximalen Strom von 320mA. Die Nennspannung liegt bei 17,3V. Die Leerlaufspannung beträgt 20,8V. Die Siliziumzellen sind in einer EVA (Ethylen-Viny-Acetat) Kunststoffplatte eingebettet und UV-und feuchtigkeitsbeständig. Das ganze Modul ist ca. 25cm x 25 cm groß. Es ist also ideal geeignet, um die Energie zum Betreiben von USB-Geräten bereitzustellen. Hierbei habe ich zum Beispiel an WIFI-IP-Cams gedacht. Auch das Laden von Smartphones ode Tablets sollte damit möglich sein.

Um das nun auch durchführen zu können, muss aus der Nennspannung der Photovoltaikzelle die Betriebsspannung des USB-Standards (5V) erzeugt werden. Das könnte man jetzt ganz einfach mit einem 7805er Regler machen und die Differenz dabei in Wärme umwandeln. Doch das ist die, so ziemlich ineffizienteste Möglichkeit, die Energie des Panels in ein Handy zu bekommen.
Zum einen ist der Innenwiderstand des Panels von der Lichtintensität abhängig, was einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad bei nicht angepassten Lastwiderständen hat. Zum anderen ist ein Längsregler ein Energievernichter, da die Differenz zwischen Eingangsspannung und geregelter Ausgangsspannung bei Stromfluß in Verlustleistung, also Wärme umgewandelt wird. Hier ist man mit einem Schaltwandler (Buck-Converter) besser bedient.
 
In einem einfachen Laboraufbau kann das Verhalten des Panels untersucht werden. Dazu wird die Leerlaufspannung des Panels bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke gemessen. Anschliessend wird das Panel mit unterschiedlichen Widerstandswerten belastet und der Strom durch die Last, sowie die Spannung am Panel gemessen. Die Messwerte werden aufgezeichnet und der Ri (Innenwiderstand der Quelle) berechnet. Der nachfolgende Stromlaufplan zeigt den Messaufbau:
Messaufbau – Schaltung
Als Amperemeter dient ein Agilent- und als Voltmeter ein Keithley 2701 Tischmultimeter. Diese Messgeräte können beide über SCPI-Befehle gesteuert werden. Als Schnittstelle ist  jeweils ein LAN-Port vorhanden. Das macht es einfach, über einen PC und ein geeignetes Script, einen automatisierten Messablauf zu realisieren. Und da Matlab eine sehr bequeme Möglichkeit bietet, zu scripten, wird es auch gleich verwendet. Um in einem Labor messen zu können und in etwa die selben Umgebungsbedingungen zu haben, wird anstelle der Sonne eine Tischlampe mit Halogenglühbirne verwendet. Die Helligkeit der Lampe wird einfach durch die Versorgung mit einem Labornetzgerät von 0-13V eingestellt. Natürlich kann auch das Labornetzgerät per Matlab gesteuert werden.
Messaufbau mit Lampe als „Sonne“

Die Lampe ist in einem Abstand von 25cm mittig über dem Panel platziert. Um ein Gefühl zu bekommen, welche Beleuchtungsstärke mit der Lampe erreicht wird, wird mit einem Luxmeter eine Referenzmessung gemacht. Das heißt, die Lampe fährt die Leistungsrampe von 0-13V durch und das Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke im Abstand von 25cm unter der Lampe. Das Ganze wird in 0.5V Schritten aufgelöst. Daraus ergibt sich eine Kurve, die so aussieht:

Spannung an der Lampe ergibt Beleuchtungsstärke

Jetzt kann die Messung beginnen. Als Lastwiderstand werden manuell Widerstände an das Panel geschaltet und Strom und Spannung bei jeder Helligkeitsstufe gemessen. Es sind elf Lastwiderstandswerte die von 4.7 Ohm bis 220 Ohm reichen nacheinander angeschlossen. Eine Leerlaufmessung wird dann natürlich ohne Lastwiderstand gemacht. Folgender Graph zeigt den errechneten Innenwiderstand bei zwei Lasten des Panels über den Helligkeitsverlauf der Lampe in Lux und im weiteren Graph über die Spannung an der Lampe(für die bessere Skalierung). Den Innenwiderstand einer Quelle errechnet man aus der Leerlaufspannung der Quelle abzüglich der Spannung unter Last, dividiert durch den Strom. Mit der Differenz der Leerlauf und Lastspannung erhält man also den Spannungsabfall am Innenwiderstand. Da im Lastfall auch der Strom bekannt ist, braucht man nur mehr das Ohm´sche Gesetz anzuwenden, um den Widerstandswert zu erhalten…

Innenwiderstand vs. Beleuchtungsstärke
Innenwiderstand vs. Spannung an der Lampe

Da jetzt einige Klarheiten über das Verhalten der PV-Zelle beseitigt wurden, kann ich noch kurz über den Aufbau des Spannungswandlers berichten. Wie schon zuvor angekündigt, ist ein Schaltwandler der effizientere Weg, die Energie an den Verbraucher anzupassen. Hier kommt ein LM2596S zum Einsatz. Der LM 2596 ist ein „Simple Switcher Power Converter, der mit 150kHz schaltet und ein Last mit 3A versorgen kann.) Hier eine Übersicht der Funktionen:

  • 3.3-V, 5-V, 12-V, and Adjustable Output Versions
  • Adjustable Version Output Voltage Range: 1.2-V to 37-V ± 4% Maximum
    Over Line and Load Conditions
  • Available in TO-220 and TO-263 Packages
  • 3-A Output Load Current
  • Input Voltage Range Up to 40 V
  • Excellent Line and Load Regulation Specifications
  • 150-kHz Fixed-Frequency Internal Oscillator
  • TTL Shutdown Capability
  • Low Power Standby Mode, IQ, Typically 80μA
  • Uses Readily Available Standard Inductors
  • Thermal Shutdown and Current-Limit Protection

(Quelle: Datenblatt des Herstellers TEXAS Instrument)

Mit diesem Schaltwandler und noch ein paar wenigen anderen Komponenten lässt sich schnell eine Schaltung zusammenzimmern und mit dem Layouttool „Eagle“ in eine Platine verwandeln. Diese Schaltung ist aber so einfach aufgebaut, dass sie lediglich mit den Vorzügen des LM2596 möglichst effizent arbeitet, aber kein Powertracking durchführt. Das heisst, die Last, die die Schaltung für die Solarzelle darstellt wird nicht an den Innenwiderstand der Solarzelle angepasst.

 

Schaltbild des DC-DC Converters

Aus dieser Schaltung wurde dann ein einfaches Layout erstellt, eine Platine geätzt und diese bestückt. Eine USB-Buchse am Ausgang ermöglicht das direkte Ansschliessen von USB-Geräten. Um das Ganze auch einwenig vernünftig aussehen zu lassen habe ich der Platine noch ein kleines Kunsstoffgehäuse gespendet…

Messung der Beleuchtungsstärke

Messaufbau
Schaltbare Lastwiderstände
Layout am Computer
Folie zum Erstellen der Printplatte
Geätzte PCB
Bestückte PCB
Fertige Schaltung

Langzeitmessungen mit Keithley und Matlab

Keithley2000 Tischmultimeter

Ein alter Begleiter im Bereich Messgeräte ist das Tischmultimeter von Keithley. In unseren Labors  werden vorwiegend die Typen der 2000er Serie eingesetzt. Es gibt sie in unterschiedlichen Ausstattungsvarianten betreffend der Schnittstellen zur Aussenwelt. Hier ist GBIP-Bus natürlich ein Standard, ebenso wie RS232. Die neueren Geräte besitzen mittlerweile ein LAN Interface mit dem eine Kommunikation über das InternetProtokoll möglich ist. Über jede dieser Schnittstellen kann über „Standard Commands for Programmable Instruments“ (SCPI) mit dem Gerät kommuniziert werden. In diesem Beispiel werde ich das Keithley 2000 über Matlab ansteuern und zyklisch über einen längeren Zeitraum Messwerte auslesen, diese in Matlab speichern und schlußendlich in einem Plot ausgeben – quasi einen simplen Datalogger konfigurieren. Der Zweck dieses Aufbaus ist es, den Spannungsverlauf (bzw. auch Strom) eines Akkus bzw. Batterie eines Low-Energie Device zu erfassen.

Rückseite des Keithley 2000
GPIB Interface (IEEE488)
RS232 Schnittstelle

In diesem Beispiel werde ich die serielle Datenübertragung per klassischer RS232 Schnittstelle verwenden, da diese für meine Anwendung vollkommen ausreicht. Zudem kann ich mir die Installation der Treiberpakete für das GPIP-USB Interface ersparen. 🙂 Da viele der aktuellen Rechner und Laptops auch keine RS232 Ports mehr haben, muß ein USB-RS232 Adapter (beispielsweise FTDI232 etc.) her.

USB-RS232 Adaper am Keithley2000

Ist die Verbindung zwischen dem Multimeter und dem Rechner hergestellt, kann, wie in diesem Beispiel, über ein Matlabscript kommuniziert werden. Dem Keithley muß nur mehr mitgeteilt werden, dass es über die serielle Schnittstelle „sprechen“ soll. Die folgenden Code-Schnipsel zeigen, wie man einfach über SCPI Daten auslesen kann:


serialObject = instrfind('Type', 'serial', 'Port', 'COM26', 'Tag', '');
%serialPort = 'COM23';
%serialObject = serial(serialPort,'BaudRate',9600, 'DataBits',8);

if isempty(serialObject)
serialObject = serial('COM26','BaudRate',57600, 'DataBits',8);
else
fclose(serialObject);
serialObject = serialObject(1)
end

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%
% Sourcemeter 2000 setup
%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
fopen(serialObject)
% fprintf(serialObject,':*RST')

time = now;
voltage = 0;
%%
figureinstanz = figure('NumberTitle','off',...
'Name','Spannungslogg',...
'Color',[0 0 0],'Visible','off');
plotinstanz = plot(voltage,time,'Color','red');

%% Messzeit und evtl Messintervall
stoptime = 10; %60 seconds
timeInterval = 1; % brauch' ma jetzt nicht

% Messgeraet einstellen
fprintf(serialObject,':SOUR:FUNC:MODE CURR'); % current source selection.
fprintf(serialObject,':SOUR:CURR:MODE FIXED'); % changes voltage mode to fixed
fprintf(serialObject,':SOUR:CURR:LEV 0'); % sets current to 0

fprintf(serialObject,':SENS:FUNC "VOLT"');
fprintf(serialObject,':SENS:VOLT:PROT 4');
%fprintf(serialObject,':SENS:CURR:RANG:AUTO ON');
fprintf(serialObject,':SENS:VOLT:RANG 10');
fprintf(serialObject,':FORM:ELEM VOLT');

% %fprintf(serialObject,':TRAC:COUN 1');
% %fprintf(serialObject,':TRAC:FEED:CONT NEV');
%
%
% fprintf(serialObject,':TRAC:CLE');
%
% fprintf(serialObject,':TRAC:POIN 10');
% fprintf(serialObject,'TRAC:FEED:SENS');
% fprintf(serialObject,'TRAC:FEED:CONT NECT');
% fprintf(serialObject,'TRIG:COUN 10');
% fprintf(serialObject,':OUTP ON');
%
% fprintf(serialObject,':INIT');
% fprintf(serialObject,':TRACE:DATA?');

%% Daten abholen
count = 1; voltage(1)=4
tic;
time=toc;
% while time<=stoptime
while voltage>=1.5
% fprintf(serialObject,':INIT');
% fprintf(serialObject,':TRAC:FEED SENS');
% fprintf(serialObject,':TRAC:DATA?');
%
fprintf(serialObject,':READ?');
voltage(count) = fscanf(serialObject,'%f');
time(count) = toc;
set(plotinstanz,'YData',voltage,'XData',time);
set(figureinstanz,'Visible','on');
pause(timeInterval);
count = count +1;
end

figure(1);
plot(time,voltage);
grid on; hold on;
xlabel('Zeit [s]'); ylabel('Batteriespannung [V]')
title('Spannungsverlauf Batterie 3V Lithium (2032 mit Modul) im default mode');

% fprintf(serialObject,':OUTP OFF');
%% Put the instrument in local mode
fprintf(serialObject,'SYSTEM:LOCAL');
fclose(serialObject);

Wie so ein Datalog dann aussieht ist in der folgenden Grafik dargestellt. Hier ist der Spannungsverlauf einer nahezu entladenen Batterie bis zum Abschalten des Verbrauchers über die Zeit aufgezeichnet worden.