Ηλιακός ελεγκτής φόρτισης για μπαταρία 100 Ah

Αυτός ο ολοκληρωμένος ελεγκτής ηλιακής φόρτισης έχει σχεδιαστεί για να φορτίζει αποτελεσματικά μια μεγάλη μπαταρία 12 V 100 Ah με μέγιστη απόδοση. Ο ηλιακός φορτιστής είναι πρακτικά ανθεκτικός όσον αφορά την υπερφόρτιση της μπαταρίας, το βραχυκύκλωμα φόρτωσης ή τις τρέχουσες συνθήκες.

Τα βασικά στοιχεία αυτού του κυκλώματος ηλιακού ρυθμιστή 100 Ah είναι, προφανώς, το ηλιακό πλαίσιο και η μπαταρία (12 V). Η μπαταρία εδώ λειτουργεί ως μονάδα αποθήκευσης ενέργειας.

Λάμπες DC χαμηλής τάσης και τέτοια πράγματα θα μπορούσαν να οδηγούνται κατευθείαν από την μπαταρία, ενώ a μετατροπέας ισχύος θα μπορούσε να λειτουργήσει για να μετατρέψει την απευθείας τάση της μπαταρίας σε 240 V AC.

Ωστόσο, όλες αυτές οι εφαρμογές δεν είναι γενικά το θέμα αυτού του περιεχομένου, στο οποίο επικεντρώνεται συνδέοντας μια μπαταρία με ηλιακό πάνελ . Μπορεί να φαίνεται πολύ δελεαστικό να συνδέσετε ένα ηλιακό πάνελ απευθείας με την μπαταρία για φόρτιση, αλλά αυτό δεν συνιστάται ποτέ. Ενα κατάλληλο ελεγκτής φόρτισης είναι ζωτικής σημασίας για τη φόρτιση οποιασδήποτε μπαταρίας από ηλιακό πάνελ.

Η πρωταρχική σημασία του ελεγκτή φόρτισης είναι η μείωση του ρεύματος φόρτισης κατά το μέγιστο φως του ήλιου όταν ο ηλιακός συλλέκτης διαθέτει υψηλότερες ποσότητες ρεύματος πέρα ​​από το απαιτούμενο επίπεδο της μπαταρίας.

Αυτό γίνεται σημαντικό επειδή η φόρτιση με υψηλό ρεύμα μπορεί να οδηγήσει σε κρίσιμη βλάβη της μπαταρίας και σίγουρα θα μειώσει το προσδόκιμο ζωής της μπαταρίας.

Χωρίς ελεγκτή φόρτισης, ο κίνδυνος υπερφόρτιση της μπαταρίας είναι συνήθως επικείμενη, δεδομένου ότι η τρέχουσα έξοδος ενός ηλιακού συλλέκτη καθορίζεται άμεσα από το επίπεδο της ακτινοβολίας από τον ήλιο, ή την ποσότητα του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός.

Ουσιαστικά, θα βρείτε μερικές μεθόδους για τη ρύθμιση του ρεύματος φόρτισης: μέσω ρυθμιστής σειράς ή έναν παράλληλο ρυθμιστή.

Ένα σύστημα ρυθμιστών σειράς έχει συνήθως τη μορφή τρανζίστορ που εισάγεται σε σειρά μεταξύ του ηλιακού πλαισίου και της μπαταρίας.

Ο παράλληλος ρυθμιστής έχει τη μορφή α ρυθμιστής «shunt» προσαρτημένο παράλληλα με το ηλιακό πλαίσιο και την μπαταρία. ο 100 Ah ρυθμιστής εξηγείται σε αυτό το άρθρο είναι στην πραγματικότητα ένας παράλληλος ελεγκτής ηλιακού ρυθμιστή τύπου.

Το βασικό χαρακτηριστικό του a ρυθμιστής διακλάδωσης είναι ότι δεν απαιτεί υψηλές ποσότητες ρεύματος έως ότου η μπαταρία φορτιστεί πλήρως. Πρακτικά, η τρέχουσα κατανάλωση είναι τόσο μικρότερη που μπορεί να αγνοηθεί.

Μόλις το η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη Ωστόσο, η υπερβολική ισχύς διαχέεται σε θερμότητα. Συγκεκριμένα σε μεγαλύτερα ηλιακά πάνελ, αυτή η υψηλή θερμοκρασία απαιτεί μια σχετικά τεράστια δομή του ρυθμιστή.

Μαζί με τον πραγματικό σκοπό του, ένα αξιοπρεπές ελεγκτής φόρτισης Επιπλέον παρέχει ασφάλεια με πολλούς τρόπους, μαζί με προστασία από τη βαθιά αποφόρτιση της μπαταρίας, ηλεκτρονική ασφάλεια και μια αξιόπιστη ασφάλεια προς την αντιστροφή πολικότητας για την μπαταρία ή το ηλιακό πάνελ.

Απλώς επειδή ολόκληρο το κύκλωμα οδηγείται από την μπαταρία μέσω μιας εσφαλμένης δίοδος προστασίας πολικότητας, D1, ο ρυθμιστής ηλιακής φόρτισης συνεχίζει να λειτουργεί κανονικά ακόμα και όταν το ηλιακό πλαίσιο δεν τροφοδοτεί ρεύμα.

Το κύκλωμα χρησιμοποιεί την ανεξέλεγκτη τάση μπαταρίας (διασταύρωση D2 -R4) μαζί με μια εξαιρετικά ακριβή τάση αναφοράς 2,5 V. που δημιουργείται χρησιμοποιώντας τη δίοδο zener D5.

Δεδομένου ότι ο ρυθμιστής φόρτισης από μόνος του λειτουργεί τέλεια με ρεύμα χαμηλότερο από 2 mA, η μπαταρία φορτώνεται μόλις κατά τη διάρκεια της νύχτας ή όποτε ο ουρανός είναι θολός.

Η ελάχιστη κατανάλωση ρεύματος από το κύκλωμα επιτυγχάνεται με τη χρήση ισχύος MOSFET τύπου BUZ11, T2 και T3, των οποίων η εναλλαγή εξαρτάται από την τάση, αυτό τους επιτρέπει να λειτουργούν με σχεδόν μηδενική ισχύ κίνησης.

Ο προτεινόμενος έλεγχος ηλιακής φόρτισης για μπαταρία 100 Ah παρακολουθεί την μπαταρία τάση και ρυθμίζει το επίπεδο αγωγής του τρανζίστορ T1.

Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση της μπαταρίας, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τρέχουσα διέλευση μέσω του T1. Ως αποτέλεσμα, η πτώση τάσης γύρω από το R19 γίνεται υψηλότερη.

Αυτή η τάση στο R19 γίνεται η τάση εναλλαγής πύλης για το MOSFET T2, γεγονός που αναγκάζει το MOSFET να αλλάζει σκληρότερα, μειώνοντας την αντίσταση αποστράγγισης στην πηγή.

Λόγω αυτού, το ηλιακό πάνελ φορτώνεται βαρύτερα που διαλύει το υπερβολικό ρεύμα μέσω των R13 και T2.

Η δίοδος Schottky D7 προστατεύει την μπαταρία από τυχαία αντιστροφή των ακροδεκτών + και - του ηλιακού πλαισίου.

Αυτή η δίοδος σταματά επιπλέον τη ροή ρεύματος από την μπαταρία στον ηλιακό πίνακα σε περίπτωση που η τάση του πίνακα πέσει κάτω από την τάση της μπαταρίας.

Πώς λειτουργεί ο ρυθμιστής

Το διάγραμμα κυκλώματος του ρυθμιστή ηλιακού φορτιστή 100 Ah φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Τα κύρια στοιχεία του κυκλώματος είναι μερικά «βαριά» MOSFET και ένα τετραπλάσιο IC.

Η λειτουργία αυτού του IC, θα μπορούσε να χωριστεί σε 3 ενότητες: ο ρυθμιστής τάσης χτισμένος γύρω από το IC1a, ο ελεγκτής υπερφόρτισης μπαταρίας διαμορφωμένος γύρω από το IC1d και το ηλεκτρονικό προστασία βραχυκυκλώματος ενσύρματο γύρω από το IC1c.

Το IC1 λειτουργεί σαν το κύριο στοιχείο ελέγχου, ενώ το T2 λειτουργεί ως προσαρμόσιμη αντίσταση ισχύος. Το Τ2 μαζί με το R13 συμπεριφέρεται σαν ενεργό φορτίο στην έξοδο του ηλιακού συλλέκτη. Η λειτουργία του ρυθμιστή είναι μάλλον απλή.

Ένα μεταβλητό τμήμα της τάσης της μπαταρίας εφαρμόζεται στη μη αναστρέψιμη είσοδο του ελέγχου op amp IC1a μέσω του διαχωριστή τάσης R4-P1-R3. Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, η τάση αναφοράς 2,5-V εφαρμόζεται στην είσοδο αντιστροφής του ενισχυτή.

Η διαδικασία λειτουργίας του ηλιακού κανονισμού είναι αρκετά γραμμική. Το IC1a ελέγχει την τάση της μπαταρίας και μόλις φτάσει στην πλήρη φόρτιση, ανάβει ON T1, T2, προκαλώντας διακοπή της ηλιακής τάσης μέσω R13.

Αυτό διασφαλίζει ότι η μπαταρία δεν φορτίζεται υπερβολικά ή δεν φορτίζεται υπερβολικά από το ηλιακό πάνελ. Τα μέρη IC1b και D3 χρησιμοποιούνται για την ένδειξη της κατάστασης «φόρτισης μπαταρίας».

Η λυχνία LED ανάβει όταν η τάση της μπαταρίας φτάσει τα 13.1V και όταν ξεκινά η διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας.

Πώς λειτουργούν τα στάδια προστασίας

Το opamp IC1d έχει ρυθμιστεί ως συγκριτικό για την παρακολούθηση του χαμηλή μπαταρία επίπεδο τάσης και εξασφάλιση προστασίας από βαθιά εκφόρτιση και MOSFET T3.

Η τάση της μπαταρίας πέφτει κατ 'αρχήν αναλογικά περίπου στο 1/4 της ονομαστικής τιμής από το διαχωριστικό αντίστασης R8 / R10, μετά το οποίο συγκρίνεται με τάση αναφοράς 23 V που λαμβάνεται μέσω D5. Η σύγκριση πραγματοποιείται από το IC1c.

Οι πιθανές αντιστάσεις διαχωριστή επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε η έξοδος του IC1d να πέφτει χαμηλότερα όταν η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από μια κατά προσέγγιση τιμή 9 V.

Στη συνέχεια, το MOSFET T3 αναστέλλει και διακόπτει τη σύνδεση γείωσης κατά μήκος της μπαταρίας και του φορτίου. Λόγω της υστέρησης που δημιουργείται από την αντίσταση ανάδρασης R11, ο συγκριτής δεν αλλάζει κατάσταση έως ότου η τάση της μπαταρίας φτάσει ξανά στα 12 V.

Ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής C2 εμποδίζει την ενεργοποίηση της προστασίας από βαθιά εκφόρτιση από στιγμιαίες πτώσεις τάσης λόγω, για παράδειγμα, της ενεργοποίησης ενός τεράστιου φορτίου.

Η προστασία βραχυκυκλώματος που περιλαμβάνεται στο κύκλωμα λειτουργεί σαν ηλεκτρονική ασφάλεια. Όταν συμβαίνει βραχυκύκλωμα τυχαία, διακόπτει το φορτίο από την μπαταρία.

Το ίδιο ισχύει και μέσω του T3, το οποίο δείχνει την κρίσιμη δίδυμη λειτουργία του MOSFET T13. Όχι μόνο το MOSFET λειτουργεί ως διακόπτης βραχυκυκλώματος, η διασταύρωση αποστράγγισης προς πηγή παίζει επίσης το ρόλο της ως αντίσταση υπολογιστών.

Η πτώση τάσης που δημιουργείται σε αυτήν την αντίσταση ελαττώνεται από τα R12 / R18 και στη συνέχεια εφαρμόζεται στην αντίστροφη είσοδο του συγκριτή IC1c.

Εδώ, επίσης, η ακριβής τάση που παρέχει το D5 χρησιμοποιείται ως αναφορά. Για όσο διάστημα η προστασία βραχυκυκλώματος παραμένει ανενεργή, το IC1c συνεχίζει να παρέχει μια «υψηλή» λογική έξοδο.

Αυτή η ενέργεια εμποδίζει την αγωγή D4, έτσι ώστε η έξοδος IC1d να αποφασίζει αποκλειστικά το δυναμικό πύλης Τ3. Επιτυγχάνεται ένα εύρος τάσης πύλης από περίπου 4 V έως 6 V με τη βοήθεια του αντιστατικού διαχωριστή R14 / R15, επιτρέποντας μια σαφή πτώση τάσης πάνω από τη διαρροή-προς-πηγή διασταύρωση του T3.

Μόλις το ρεύμα φορτίου φτάσει στο υψηλότερο επίπεδο, η πτώση τάσης αυξάνεται γρήγορα έως ότου το επίπεδο είναι επαρκές για εναλλαγή του IC1c. Αυτό αναγκάζει τώρα την παραγωγή του να γίνει χαμηλή λογική.

Λόγω αυτού, ενεργοποιείται τώρα η δίοδος D4, επιτρέποντας στην πύλη Τ3 να βραχυκυκλωθεί στη γείωση. Λόγω αυτού τώρα το MOSFET τερματίζεται, σταματώντας την τρέχουσα ροή. Το δίκτυο R / C R12 / C3 αποφασίζει τον χρόνο αντίδρασης της ηλεκτρονικής ασφάλειας.

Ορίστηκε ένας σχετικά αργός χρόνος αντίδρασης για να αποφευχθεί η εσφαλμένη ενεργοποίηση της λειτουργίας ηλεκτρονικής ασφάλειας λόγω περιστασιακής στιγμιαίας αύξησης του ρεύματος φορτίου.

Το LED D6, επιπλέον, χρησιμοποιείται ως αναφορά 1,6 V, διασφαλίζοντας ότι το C3 δεν μπορεί να φορτίσει πάνω από αυτό το επίπεδο τάσης.

Όταν το βραχυκύκλωμα αφαιρεθεί και το φορτίο αποσυνδεθεί από την μπαταρία, το C3 αποφορτίζεται σταδιακά μέσω του LED (αυτό μπορεί να διαρκέσει έως και 7 δευτερόλεπτα). Δεδομένου ότι η ηλεκτρονική ασφάλεια έχει σχεδιαστεί με μια αρκετά αργή απόκριση, δεν σημαίνει ότι το ρεύμα φορτίου θα επιτρέπεται να φτάσει σε υπερβολικά επίπεδα.

Προτού ενεργοποιηθεί η ηλεκτρονική ασφάλεια, η τάση πύλης T3 ζητά από το MOSFET να περιορίσει το ρεύμα εξόδου στο σημείο όπως καθορίζεται μέσω της ρύθμισης της προκαθορισμένης P2.

Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τίποτα δεν καίει ή τηγανητά, το κύκλωμα διαθέτει επιπλέον μια τυπική ασφάλεια, F1, που συνδέεται εν σειρά με την μπαταρία και παρέχει διαβεβαίωση ότι μια πιθανή βλάβη στο κύκλωμα δεν θα προκαλέσει άμεση καταστροφή.

Ως απόλυτη αμυντική ασπίδα, το D2 έχει συμπεριληφθεί στο κύκλωμα. Αυτή η δίοδος προστατεύει τις εισόδους IC1a και IC1b από ζημιές, λόγω τυχαίας αντίστροφης σύνδεσης μπαταρίας.

Επιλογή του ηλιακού πλαισίου

Η λήψη ενός καταλληλότερου ηλιακού πλαισίου εξαρτάται, φυσικά, από την βαθμολογία Ah της μπαταρίας με την οποία σκοπεύετε να εργαστείτε.

Ο ρυθμιστής ηλιακής φόρτισης είναι βασικά σχεδιασμένος για ηλιακούς συλλέκτες με μέτρια τάση εξόδου 15 έως 18 βολτ και 10 έως 40 βατ. Αυτά τα είδη πάνελ συνήθως καθίστανται κατάλληλα για μπαταρίες με ονομαστική τιμή μεταξύ 36 και 100 Ah.

Παρ 'όλα αυτά, δεδομένου ότι ο ρυθμιστής ηλιακής φόρτισης έχει οριστεί για να παρέχει βέλτιστη ισχύ ρεύματος 10 Α, μπορεί να εφαρμοστούν ηλιακά πάνελ με ονομαστική ισχύ 150 W.

Το κύκλωμα ρυθμιστή ηλιακού φορτιστή μπορεί επίσης να εφαρμοστεί ανεμόμυλοι και με άλλες πηγές τάσης, υπό την προϋπόθεση ότι η τάση εισόδου είναι στην περιοχή 15-18 V.

Το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας διαχέεται μέσω του ενεργού φορτίου, T2 / R13. Περιττό να πούμε ότι το MOSFET θα πρέπει να ψύχεται αποτελεσματικά μέσω ψύκτρας και το R13 πρέπει να βαθμολογείται επαρκώς για αντοχή σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Η ισχύς R13 πρέπει να είναι σύμφωνη με την βαθμολογία του ηλιακού συλλέκτη. Στο (ακραίο) σενάριο όταν ένα ηλιακό πλαίσιο συνδέεται με τάση εξόδου χωρίς φορτίο 21 V, και επίσης ρεύμα βραχυκυκλώματος 10 A, σε ένα τέτοιο σενάριο οι Τ2 και R13 αρχίζουν να διαλύουν ισχύ ισοδύναμη με την τάση διαφορά μεταξύ της μπαταρίας και του ηλιακού συλλέκτη (περίπου 7 V) πολλαπλασιαζόμενη με το ρεύμα βραχυκυκλώματος (10 A), ή απλά 70 watt!

Αυτό μπορεί να συμβεί όταν φορτιστεί πλήρως η μπαταρία. Η πλειονότητα της ισχύος απελευθερώνεται μέσω του R13, καθώς το MOSFET προσφέρει τότε πολύ χαμηλή αντίσταση. Η τιμή της αντίστασης MOSFET R13 θα μπορούσε να προσδιοριστεί γρήγορα μέσω του ακόλουθου νόμου του Ohm:

R13 = Ρ x Ι^δύο= 70 x 10^δύο= 0,7 Ωμ

Ωστόσο, αυτό το είδος ακραίας παραγωγής ηλιακού πλαισίου μπορεί να φαίνεται ασυνήθιστο. Στο πρωτότυπο του ρυθμιστή ηλιακής φόρτισης, είχε εφαρμοστεί αντίσταση 0,25 Ω / 40 W που αποτελείται από τέσσερις παράλληλες συνδεδεμένες αντιστάσεις 1Ω / 10 W. Η απαραίτητη ψύξη για το Τ3 υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο.

Υποθέτοντας ότι το υψηλότερο ρεύμα εξόδου είναι 10 A (που συγκρίνεται με πτώση τάσης περίπου 2,5 V πάνω από τη διασταύρωση πηγής αποστράγγισης), τότε πρέπει να αξιολογηθεί μια μέγιστη απόκλιση περίπου 27W.

Για να εξασφαλιστεί επαρκής ψύξη του Τ3 ακόμη και σε υπερβολικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος (π.χ. 50 ° C), η ψύκτρα πρέπει να χρησιμοποιεί θερμική αντίσταση 3,5 K / W ή μικρότερη.

Τα μέρη T2, T3 και D7 είναι διατεταγμένα σε μια συγκεκριμένη πλευρά του PCB, διευκολύνοντάς τους να συνδέονται εύκολα σε ένα κοινό ψύκτρα (με εξαρτήματα απομόνωσης).

Ο διασκεδασμός αυτών των τριών ημιαγωγών πρέπει, συνεπώς, να συμπεριληφθεί, και σε αυτήν την περίπτωση θέλουμε μια ψύκτρα με θερμικές προδιαγραφές 1,5 K / W ή υψηλότερη. Ο τύπος που περιγράφεται στη λίστα ανταλλακτικών συμμορφώνεται με αυτήν την προϋπόθεση.

Πώς να ρυθμίσετε

Ευτυχώς, το κύκλωμα ηλιακού ρυθμιστή μπαταρίας 100 Ah είναι πολύ εύκολο στη ρύθμιση. Ωστόσο, το έργο απαιτεί δύο (ρυθμιζόμενα) τροφοδοτικά .

Ένα από αυτά προσαρμόζεται σε τάση εξόδου 14,1 V και συνδέεται με τους αγωγούς μπαταρίας (ονομαζόμενος «accu») στο PCB. Το δεύτερο τροφοδοτικό πρέπει να έχει περιοριστικό ρεύματος.

Αυτή η τροφοδοσία ρυθμίζεται στην τάση ανοιχτού κυκλώματος του ηλιακού πλαισίου (για παράδειγμα 21 V, όπως στην προηγούμενη κατάσταση), και συνδέεται με τους ακροδέκτες φτυάρι που ορίζονται ως «κελιά».

Όταν ρυθμίσουμε το P1 είναι σωστά, η τάση θα πρέπει να μειωθεί σε 14,1 V. Παρακαλώ μην ανησυχείτε για αυτό, καθώς ο τρέχων περιοριστής και το D7 εγγυώνται ότι απολύτως τίποτα δεν μπορεί να πάει άσχημα!

Για μια αποτελεσματική ρύθμιση του P2, πρέπει να εργαστείτε με ένα φορτίο που είναι λίγο υψηλότερο από το πιο βαρύ φορτίο που μπορεί να συμβεί στην έξοδο. Εάν θέλετε να εξαγάγετε το μέγιστο από αυτό το σχέδιο, δοκιμάστε να επιλέξετε ένα ρεύμα φορτίου 10 A.

Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια αντίσταση φορτίου 1Ω x120 W, αποτελούμενη, για παράδειγμα, από 10 αντιστάσεις 10Ω / 10 W παράλληλα. Το Preset P2 είναι στην αρχή περιστρέφεται στο «Μέγιστο (υαλοκαθαριστήρας προς το R14).

Μετά από αυτό, το φορτίο συνδέεται με τους αγωγούς που ορίζονται ως «φορτίο» στο PCB. Ρυθμίστε αργά και προσεκτικά το P2 μέχρι να φτάσετε στο επίπεδο όπου το T3 απενεργοποιείται και κόβει το φορτίο. Μετά την αφαίρεση των αντιστάσεων φορτίου, τα καλώδια «φορτίου» μπορούν να βραχυκυκλωθούν στιγμιαία για να ελέγξουν ότι η ηλεκτρονική ασφάλεια λειτουργεί σωστά.

Διατάξεις PCB

Λίστα ανταλλακτικών

Αντιστάσεις:
RI = 1k
R2 = 120k
R3, R20 = 15k
R4, R15, R19 = 82k
R5 = 12k
R6 = 2.2k
R7, R14, R18, R21 = 100k
R8, R9 = 150k
R10 = 47k
R11 = 270 χιλ
R12, R16 = 1Μ
R13 = δείτε κείμενο
R17 = 10k
P1 = 5k προεπιλογή
P2 = 50k προκαθορισμένη
Πυκνωτές:
Cl = 100nF
C2 = 2.2uF / 25V ακτινικό
C3 = 10uF / 16V
Ημιαγωγοί:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3.136 = Κόκκινο LED
D5 = LM336Z-2.5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Διάφορα:
F1 = ασφάλεια 10 A (T) με βάση στήριξης PCB
8 ακροδέκτες μπαστούνι για τοποθέτηση με βίδα
Heatsink 1,25VW