Контроллер заряда от солнечных батарей для аккумулятора 100 Ач

Этот универсальный контроллер заряда солнечной энергии предназначен для эффективной зарядки большой батареи 12 В 100 Ач с максимальной эффективностью. Солнечное зарядное устройство практически надежно с точки зрения перезарядки аккумулятора, короткого замыкания нагрузки или перегрузки по току.

Ключевыми элементами этой схемы солнечного регулятора на 100 Ач являются, очевидно, солнечная панель и аккумулятор (12 В). Аккумулятор здесь работает как накопитель энергии.

Лампы постоянного тока низкого напряжения и тому подобное можно было приводить в действие прямо от батареи, в то время как инвертор мощности может использоваться для преобразования постоянного напряжения батареи в 240 В переменного тока.

Тем не менее, все эти приложения, как правило, не являются темой этого контента, в котором основное внимание уделяется подключение батареи к солнечной панели . Соединение солнечной панели напрямую с аккумулятором для зарядки может показаться слишком заманчивым, но это никогда не рекомендуется. Соответствующий контроллер заряда имеет решающее значение для зарядки любого аккумулятора от солнечной панели.

Первостепенное значение контроллера заряда состоит в том, чтобы уменьшить зарядный ток во время пикового солнечного света, когда солнечная панель потребляет большее количество тока, чем требуется для батареи.

Это становится важным, потому что зарядка большим током может привести к серьезному повреждению аккумулятора и, безусловно, может сократить ожидаемый срок службы аккумулятора.

Без контроллера заряда опасность перезарядка аккумулятора обычно приближается, поскольку текущий выходной ток солнечной панели напрямую определяется уровнем солнечного излучения или количеством падающего солнечного света.

По сути, вы найдете несколько методов управления зарядным током: через регулятор серии или параллельный регулятор.

Система последовательного регулятора обычно представляет собой транзистор, который последовательно устанавливается между солнечной панелью и батареей.

Параллельный регулятор выполнен в виде 'шунтирующий' регулятор прилагается параллельно с солнечной панелью и аккумулятором. В Регулятор 100 Ач объясненный в этом посте на самом деле контроллер солнечного регулятора параллельного типа.

Ключевая особенность шунтирующий регулятор в том, что он не требует большого тока, пока аккумулятор не будет полностью заряжен. Фактически, его собственное потребление тока настолько меньше, что его можно игнорировать.

Однажды аккумулятор полностью заряжен однако избыточная мощность рассеивается в тепло. В частности, в солнечных панелях большего размера такая высокая температура требует относительно большой конструкции регулятора.

Наряду со своим истинным назначением достойный контроллер заряда дополнительно обеспечивает безопасность во многих отношениях, вместе с защитой от глубокого разряда аккумулятора, электронный предохранитель и надежная защита от переполюсовки батареи или солнечной панели.

Просто потому, что вся цепь управляется батареей через диод защиты от неправильной полярности, D1, регулятор заряда солнечной батареи продолжает нормально работать, даже когда солнечная панель не подает ток.

В схеме используется нерегулируемое напряжение батареи (переход D2 -R4) вместе с очень точным опорным напряжением 2,5 В., которое генерируется с помощью стабилитрона D5.

Поскольку регулятор заряда сам по себе отлично работает с током ниже 2 мА, аккумулятор почти не заряжается в ночное время или когда небо облачно.

Минимальное потребление тока схемой достигается за счет использования силовых полевых МОП-транзисторов типа BUZ11, T2 и T3, переключение которых зависит от напряжения, что позволяет им работать практически при нулевой мощности привода.

Предлагаемый контроль заряда солнечной батареи 100 Ач следит за батареей напряжение и регулирует уровень проводимости транзистора Т1.

Чем больше напряжение батареи, тем выше будет ток, проходящий через T1. В результате падение напряжения вокруг R19 становится выше.

Это напряжение на R19 становится напряжением переключения затвора для MOSFET T2, которое заставляет MOSFET переключаться сильнее, снижая его сопротивление сток-исток.

Из-за этого солнечная панель нагружается сильнее, что рассеивает избыточный ток через R13 и T2.

Диод Шоттки D7 защищает аккумулятор от случайного переключения полярности + и - клемм солнечной панели.

Этот диод дополнительно останавливает прохождение тока от батареи к солнечной панели в случае падения напряжения панели ниже напряжения батареи.

Как работает регулятор

Принципиальная схема регулятора солнечного зарядного устройства на 100 Ач представлена ​​на рисунке выше.

Первичные элементы схемы - это пара «тяжелых» МОП-транзисторов и четырехкратный операционный усилитель.

Функцию этой ИС можно разделить на 3 части: регулятор напряжения, построенный на IC1a, контроллер чрезмерной разрядки батареи, сконфигурированный на основе IC1d, и электронный защита от короткого замыкания подключен к IC1c.

IC1 работает как главный управляющий компонент, а T2 - как адаптируемый силовой резистор. Т2 вместе с R13 ведет себя как активная нагрузка на выходе солнечной батареи. Функционирование регулятора достаточно простое.

Переменная часть напряжения батареи подается на неинвертирующий вход управляющего операционного усилителя IC1a через делитель напряжения R4-P1-R3. Как обсуждалось ранее, опорное напряжение 2,5-V подается на инвертирующий вход операционного усилителя.

Рабочий процесс солнечного регулятора довольно линейный. IC1a проверяет напряжение аккумулятора и, как только он достигает полного заряда, включает T1, T2, вызывая шунтирование солнечного напряжения через R13.

Это гарантирует, что аккумулятор не будет перегружен или заряжен солнечной панелью. Части IC1b и D3 используются для индикации состояния «зарядки аккумулятора».

Светодиод загорается, когда напряжение аккумулятора достигает 13,1 В, и когда начинается процесс зарядки аккумулятора.

Как работают этапы защиты

Операционный усилитель IC1d настроен как компаратор для контроля низкий заряд батареи уровень напряжения и обеспечивает защиту от глубокого разряда, и MOSFET T3.

Напряжение батареи сначала пропорционально падает примерно до 1/4 от номинального значения резистивным делителем R8 / R10, после чего оно сравнивается с эталонным напряжением 23 В, полученным через D5. Сравнение проводится IC1c.

Резисторы делителя потенциала выбраны таким образом, чтобы выходная мощность IC1d опускалась ниже, когда напряжение батареи упало ниже приблизительного значения 9 В.

Затем MOSFET T3 блокирует и отключает заземление между батареей и нагрузкой. Из-за гистерезиса, создаваемого резистором обратной связи R11, компаратор не меняет состояние, пока напряжение батареи снова не достигнет 12 В.

Электролитический конденсатор C2 предотвращает активацию защиты от глубокого разряда при мгновенных падениях напряжения, например, при включении большой нагрузки.

Включенная в схему защита от короткого замыкания действует как электронный предохранитель. Когда случайно происходит короткое замыкание, он отключает нагрузку от аккумулятора.

То же самое реализовано и в T3, который показывает важную двойную функцию MOSFET T13. MOSFET не только работает как прерыватель короткого замыкания, но и его переход сток-исток дополнительно играет роль вычислительного резистора.

Падение напряжения, возникающее на этом резисторе, уменьшается с помощью R12 / R18 и затем подается на инвертирующий вход компаратора IC1c.

Здесь также в качестве эталона используется точное напряжение, подаваемое D5. Пока защита от короткого замыкания остается неактивной, IC1c продолжает выдавать «высокий» логический выход.

Это действие блокирует проводимость D4, так что выход IC1d определяет только потенциал затвора T3. Диапазон напряжения затвора от 4 В до 6 В достигается с помощью резистивного делителя R14 / R15, что позволяет установить четкое падение напряжения на переходе сток-исток Т3.

Как только ток нагрузки достигает своего максимального уровня, падение напряжения быстро возрастает до тех пор, пока уровень не станет достаточным для переключения IC1c. Теперь это приводит к понижению логического уровня на его выходе.

Благодаря этому теперь активируется диод D4, позволяя замкнуть затвор T3 на массу. Из-за этого теперь MOSFET отключается, прекращая прохождение тока. Сеть дистанционного управления R12 / C3 определяет время срабатывания электронного предохранителя.

Устанавливается относительно медленное время реакции, чтобы избежать неправильного включения электронного предохранителя из-за случайного кратковременного сильного повышения тока нагрузки.

Светодиод D6, кроме того, используют в качестве эталона 1,6 V, убедившись, что С3 не в состоянии заряда выше этого уровня напряжения.

Когда короткое замыкание устранено и нагрузка отсоединена от батареи, C3 постепенно разряжается через светодиод (это может занять до 7 секунд). Поскольку электронный предохранитель разработан с достаточно медленным срабатыванием, это не означает, что ток нагрузки может достигнуть чрезмерных уровней.

Прежде чем электронный предохранитель может сработать, напряжение на затворе T3 побуждает MOSFET ограничить выходной ток до точки, определенной посредством настройки предустановки P2.

Чтобы гарантировать, что ничего не горит или не поджаривается, в цепи дополнительно имеется стандартный предохранитель F1, который подключается последовательно с батареей и обеспечивает уверенность в том, что вероятный сбой в цепи не приведет к немедленной катастрофе.

В качестве надежного защитного щита в схему был включен D2. Этот диод защищает входы IC1a и IC1b от повреждений из-за случайного обратного подключения батареи.

Выбор солнечной панели

Выбор наиболее подходящей солнечной панели, естественно, зависит от емкости батареи, с которой вы собираетесь работать.

Регулятор зарядки от солнечных батарей в основном предназначен для солнечных панелей с умеренным выходным напряжением от 15 до 18 вольт и от 10 до 40 Вт. Панели такого типа обычно подходят для аккумуляторов емкостью от 36 до 100 Ач.

Тем не менее, поскольку регулятор зарядки от солнечной батареи рассчитан на обеспечение оптимального потребления тока 10 А, вполне могут быть применены солнечные панели мощностью 150 Вт.

Схема регулятора солнечного зарядного устройства может также применяться в ветряные мельницы и с другими источниками напряжения при условии, что входное напряжение находится в диапазоне 15-18 В.

Большая часть тепла рассеивается через активную нагрузку T2 / R13. Излишне говорить, что полевой МОП-транзистор должен эффективно охлаждаться через радиатор, а R13 должен быть рассчитан на то, чтобы выдерживать чрезвычайно высокие температуры.

Мощность R13 должна соответствовать номиналу солнечной панели. В (крайнем) сценарии, когда солнечная панель подключена с выходным напряжением холостого хода 21 В, а также током короткого замыкания 10 А, в таком сценарии T2 и R13 начинают рассеивать мощность, эквивалентную напряжению разница между батареей и солнечной панелью (около 7 В), помноженная на ток короткого замыкания (10 А), или просто 70 Вт!

Это может действительно произойти после полной зарядки аккумулятора. Большая часть мощности передается через R13, поскольку в этом случае MOSFET имеет очень низкое сопротивление. Значение резистора MOSFET R13 можно быстро определить по следующему закону Ома:

R13 = P x I^два= 70 х 10^два= 0,7 Ом

Однако такая экстремальная мощность солнечных батарей может показаться необычной. В прототипе регулятора заряда солнечной энергии было применено сопротивление 0,25 Ом / 40 Вт, состоящее из четырех параллельно подключенных резисторов 1 Ом / 10 Вт. Необходимое охлаждение для T3 рассчитывается таким же образом.

Предположим, что максимальный выходной ток составляет 10 А (что сопоставимо с падением напряжения примерно 2,5 В на переходе сток-исток), тогда необходимо оценить максимальное рассеивание около 27 Вт.

Чтобы гарантировать адекватное охлаждение T3 даже при чрезмерных фоновых температурах (например, 50 ° C), теплоотвод должен иметь тепловое сопротивление 3,5 K / Вт или меньше.

Детали T2, T3 и D7 расположены на одной конкретной стороне печатной платы, что позволяет легко прикрепить их к единому общему радиатору (с изолирующими компонентами).

Таким образом, необходимо учитывать рассеивание этих трех полупроводников, и в этом случае нам нужен радиатор с тепловыми характеристиками 1,5 К / Вт или выше. Тип, описанный в списке деталей, соответствует этому условию.

Как настроить

К счастью, схему солнечного регулятора батареи 100 Ач довольно легко настроить. Тем не менее, эта задача требует нескольких (регулируемые) источники питания .

Один из них настроен на выходное напряжение 14,1 В и подсоединен к выводам батареи (обозначенным как «аккумулятор») на печатной плате. Второй блок питания должен иметь ограничитель тока.

Этот источник питания регулируется в соответствии с напряжением холостого хода солнечной панели (например, 21 В, как в ранее заявленном состоянии) и подключается к лопастным клеммам, обозначенным как 'клетки'.

При правильной настройке P1 напряжение должно упасть до 14,1 В. Не беспокойтесь об этом, поскольку ограничитель тока и D7 гарантируют, что абсолютно ничего не может выйти из строя!

Для эффективной настройки P2 вы должны работать с нагрузкой, которая немного выше, чем самая большая нагрузка, которая может возникнуть на выходе. Если вы хотите извлечь максимум из этой конструкции, попробуйте выбрать ток нагрузки 10 А.

Этого можно добиться, используя нагрузочный резистор 1 Ом x 120 Вт, состоящий, например, из 10 резисторов 10 Ом / 10 Вт, включенных параллельно. Предварительная установка P2 в начале повернута на «Максимум» (стеклоочиститель в сторону R14).

После этого нагрузка присоединяется к выводам, обозначенным как «нагрузка» на печатной плате. Медленно и осторожно настраивайте P2, пока не достигнете уровня, при котором T3 просто отключается и отключает нагрузку. После снятия нагрузочных резисторов можно на мгновение замкнуть «нагрузочные» провода, чтобы проверить правильность работы электронного предохранителя.

Макеты печатных плат

Список деталей

Резисторы:
RI = 1k
R2 = 120 тыс.
R3, R20 = 15 тыс.
R4, R15, R19 = 82 тыс.
R5 = 12к
R6 = 2,2 тыс.
R7, R14, R18, R21 = 100 тыс.
R8, R9 = 150 тыс.
R10 = 47 тыс.
R11 = 270 тыс.
R12, R16 = 1 м
R13 = см. Текст
R17 = 10 тыс.
P1 = 5k предустановок
P2 = 50k предустановка
Конденсаторы:
Cl = 100 нФ
C2 = 2,2 мкФ / 25 В радиальный
C3 = 10 мкФ / 16 В
Полупроводники:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3,136 = светодиод красный
D5 = LM336Z-2.5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2,T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Разное:
F1 = предохранитель 10 A (T) с держателем для монтажа на печатной плате
8 плоских клемм для винтового монтажа
Радиатор 1.251VW