Kontroler ładowania słonecznego do akumulatora 100 Ah

Ten wszechstronny kontroler ładowania słonecznego jest przeznaczony do efektywnego ładowania dużego akumulatora 12 V 100 Ah z najwyższą wydajnością. Ładowarka słoneczna jest praktycznie niezawodna pod względem przeładowania akumulatora, zwarcia obciążenia lub nadmiernego prądu.

Kluczowymi elementami tego obwodu regulatora słonecznego o pojemności 100 Ah są oczywiście panel słoneczny i akumulator (12 V). Bateria działa tutaj jako jednostka magazynująca energię.

Lampy niskonapięciowe prądu stałego i tym podobne mogą być zasilane bezpośrednio z akumulatora, podczas gdy falownik mocy może być używany do konwersji bezpośredniego napięcia akumulatora na 240 V AC.

Niemniej jednak wszystkie te aplikacje generalnie nie są tematem tej treści, na której się skupiamy podłączenie baterii do panelu słonecznego . Może wydawać się zbyt kuszące, aby podłączyć panel słoneczny bezpośrednio do akumulatora w celu ładowania, ale to nigdy nie jest zalecane. Odpowiedni kontroler ładowania ma kluczowe znaczenie dla ładowania dowolnej baterii z panelu słonecznego.

Głównym celem kontrolera ładowania jest zmniejszenie prądu ładowania podczas szczytowego nasłonecznienia, gdy panel słoneczny pobiera większe ilości prądu, niż wymagany poziom baterii.

Staje się to ważne, ponieważ ładowanie dużym prądem może doprowadzić do krytycznego uszkodzenia akumulatora iz pewnością może skrócić oczekiwaną żywotność akumulatora.

Bez kontrolera ładowania, niebezpieczeństwo przeładowanie akumulatora jest zwykle bliskie, ponieważ prąd wyjściowy panelu słonecznego jest bezpośrednio określany przez poziom nasłonecznienia lub ilość padającego światła słonecznego.

Zasadniczo znajdziesz kilka metod zarządzania prądem ładowania: przez regulator szeregowy lub równoległy regulator.

Szeregowy system regulatora ma zwykle postać tranzystora, który jest wprowadzany szeregowo między panelem słonecznym a baterią.

Regulator równoległy ma postać regulator bocznikowy przymocowany równolegle z panelem słonecznym i baterią. Plik Regulator 100 Ah wyjaśnione w tym poście jest w rzeczywistości równoległym kontrolerem regulatora słonecznego.

Kluczowa cecha regulator bocznikowy polega na tym, że nie wymaga dużych ilości prądu, dopóki akumulator nie zostanie w pełni naładowany. Praktycznie rzecz biorąc, jego własne zużycie prądu jest tak mniejsze, że można je zignorować.

Kiedyś bateria jest w pełni naładowana jednakże nadmiar mocy jest rozpraszany w postaci ciepła. Szczególnie w przypadku większych paneli słonecznych ta wysoka temperatura wymaga stosunkowo dużej konstrukcji regulatora.

Wraz z prawdziwym przeznaczeniem przyzwoity kontroler ładowania dodatkowo zapewnia bezpieczeństwo na wiele sposobów, wraz z ochroną przed głębokim rozładowaniem akumulatora, bezpiecznik elektroniczny oraz niezawodne zabezpieczenie przed odwróceniem biegunowości baterii lub panelu słonecznego.

Po prostu dlatego, że cały obwód jest zasilany przez akumulator przez diodę zabezpieczającą przed złą polaryzacją, D1, regulator ładowania słonecznego nadal działa normalnie, nawet gdy panel słoneczny nie dostarcza prądu.

Obwód wykorzystuje nieregulowane napięcie akumulatora (złącze D2 -R4) wraz z niezwykle precyzyjnym napięciem odniesienia 2,5 V, które jest generowane za pomocą diody Zenera D5.

Ponieważ sam regulator ładowania doskonale radzi sobie z prądem mniejszym niż 2 mA, akumulator jest ledwo ładowany w nocy lub gdy niebo jest zachmurzone.

Minimalny pobór prądu przez obwód uzyskuje się dzięki zastosowaniu tranzystorów MOSFET mocy typu BUZ11, T2 i T3, których przełączanie jest zależne od napięcia, co pozwala im pracować przy praktycznie zerowej mocy napędu.

Proponowana kontrola ładowania słonecznego dla akumulatora 100 Ah monitoruje akumulator napięcie i reguluje poziom przewodzenia tranzystora T1.

Im większe napięcie akumulatora, tym wyższy będzie prąd płynący przez T1. W rezultacie spadek napięcia wokół R19 staje się większy.

To napięcie na R19 staje się napięciem przełączania bramki dla tranzystora MOSFET T2, co powoduje, że tranzystor MOSFET przełącza się mocniej, obniżając jego rezystancję między drenem a źródłem.

Z tego powodu panel słoneczny jest bardziej obciążany, co powoduje rozproszenie nadmiaru prądu przez R13 i T2.

Dioda Schottky'ego D7 chroni akumulator przed przypadkowym odwróceniem biegunów + i - panelu słonecznego.

Dioda ta dodatkowo zatrzymuje przepływ prądu z akumulatora do panelu słonecznego w przypadku, gdy napięcie panelu spadnie poniżej napięcia akumulatora.

Jak działa regulator

Schemat obwodu regulatora ładowarki solarnej 100 Ah można zobaczyć na powyższym rysunku.

Podstawowymi elementami obwodu są kilka „ciężkich” tranzystorów MOSFET i poczwórny układ scalony wzmacniacza operacyjnego.

Funkcję tego układu scalonego można podzielić na 3 sekcje: regulator napięcia zbudowany wokół IC1a, regulator nadmiernego rozładowania akumulatora skonfigurowany wokół IC1d i elektroniczny zabezpieczenie przed zwarciem okablowane wokół IC1c.

IC1 działa jak główny element sterujący, podczas gdy T2 działa jako adaptowalny rezystor mocy. T2 wraz z R13 zachowuje się jak aktywne obciążenie na wyjściu panelu słonecznego. Działanie regulatora jest dość proste.

Zmienna część napięcia akumulatora jest doprowadzana do nieodwracającego wejścia sterującego wzmacniacza operacyjnego IC1a poprzez dzielnik napięcia R4-P1-R3. Jak wspomniano wcześniej, napięcie odniesienia 2,5 V jest przykładane do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego.

Procedura działania regulacji słonecznej jest dość liniowa. IC1a sprawdza napięcie akumulatora i gdy tylko osiągnie pełne naładowanie, włącza T1, T2, powodując bocznikowanie napięcia słonecznego przez R13.

Zapewnia to, że bateria nie jest przeładowana lub przeładowana przez panel słoneczny. Części IC1b i D3 służą do wskazywania stanu „ładowania akumulatora”.

Dioda LED zapala się, gdy napięcie akumulatora osiągnie 13,1 V i gdy rozpocznie się proces ładowania akumulatora.

Jak działają etapy ochrony

Opamp IC1d jest ustawiony jako komparator do monitorowania pliku niski poziom baterii poziom napięcia i zapewniają ochronę przed głębokim rozładowaniem oraz MOSFET T3.

Napięcie akumulatora jest najpierw proporcjonalnie obniżane do około 1/4 wartości nominalnej przez dzielnik rezystancyjny R8 / R10, po czym jest porównywane z napięciem odniesienia 23 V uzyskanym przez D5. Porównanie przeprowadza IC1c.

Potencjalne rezystory dzielnikowe dobierane są w taki sposób, że moc wyjściowa IC1d spada, gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej przybliżonej wartości 9 V.

MOSFET T3 następnie blokuje i odcina połączenie z masą między akumulatorem i obciążeniem. Ze względu na histerezę generowaną przez rezystor sprzężenia zwrotnego R11, komparator nie zmienia stanu, dopóki napięcie akumulatora nie osiągnie ponownie 12 V.

Kondensator elektrolityczny C2 zapobiega zadziałaniu zabezpieczenia przed głębokim rozładowaniem w wyniku chwilowych spadków napięcia, na przykład w wyniku włączenia dużego obciążenia.

Zabezpieczenie przeciwzwarciowe zawarte w obwodzie działa jak bezpiecznik elektroniczny. Przypadkowe zwarcie odłącza ładunek od akumulatora.

To samo jest również realizowane przez T3, który pokazuje kluczową podwójną funkcję MOSFET T13. MOSFET nie tylko działa jako wyłącznik zwarciowy, jego złącze dren-źródło dodatkowo odgrywa swoją rolę jak rezystor obliczeniowy.

Spadek napięcia generowany na tym rezystorze jest zmniejszany przez R12 / R18, a następnie podawany na wejście odwracające komparatora IC1c.

Tutaj również jako odniesienie wykorzystuje się precyzyjne napięcie dostarczane przez D5. Dopóki ochrona przeciwzwarciowa pozostaje nieaktywna, układ IC1c nadal dostarcza wyjście logiczne „high”.

To działanie blokuje przewodzenie D4, tak że wyjście IC1d decyduje wyłącznie o potencjale bramki T3. Zakres napięcia bramki od około 4 V do 6 V jest osiągany za pomocą rezystancyjnego dzielnika R14 / R15, umożliwiającego ustalenie wyraźnego spadku napięcia na połączeniu dren-źródło w T3.

Gdy prąd obciążenia osiągnie swój najwyższy poziom, spadek napięcia szybko rośnie, aż poziom jest wystarczający do przełączenia IC1c. To teraz powoduje, że jego wyjście staje się logiczne.

Z tego powodu dioda D4 aktywuje się teraz, umożliwiając zwarcie bramki T3 do masy. Z tego powodu MOSFET wyłącza się teraz, zatrzymując przepływ prądu. Sieć R / C R12 / C3 decyduje o czasie reakcji bezpiecznika elektronicznego.

W celu uniknięcia nieprawidłowego zadziałania bezpiecznika elektronicznego na skutek sporadycznego chwilowego, dużego wzrostu prądu obciążenia, ustawia się stosunkowo długi czas reakcji.

Dodatkowo dioda LED D6 jest wykorzystywana jako odniesienie 1,6 V, dzięki czemu C3 nie jest w stanie naładować się powyżej tego poziomu napięcia.

Po usunięciu zwarcia i odłączeniu obciążenia od akumulatora, C3 jest stopniowo rozładowywane przez diodę LED (może to potrwać do 7 sekund). Ponieważ bezpiecznik elektroniczny został zaprojektowany z rozsądnie powolną reakcją, nie oznacza to, że prąd obciążenia będzie mógł osiągnąć nadmierny poziom.

Zanim bezpiecznik elektroniczny zostanie aktywowany, napięcie bramki T3 powoduje, że tranzystor MOSFET ogranicza prąd wyjściowy do poziomu określonego przez ustawienie wstępnie ustawionego P2.

Aby nic się nie przypaliło ani nie frytowało, obwód dodatkowo wyposażony jest w standardowy bezpiecznik F1, który jest dołączony szeregowo z akumulatorem i daje pewność, że prawdopodobna awaria obwodu nie spowoduje natychmiastowej katastrofy.

Jako ostateczna tarcza obronna, D2 został włączony do obwodu. Dioda ta zabezpiecza wejścia IC1a i IC1b przed uszkodzeniem w wyniku przypadkowego odwrotnego podłączenia akumulatora.

Wybór panelu słonecznego

Decyzja o wyborze najbardziej odpowiedniego panelu słonecznego zależy oczywiście od współczynnika Ah akumulatora, z którym zamierzasz pracować.

Regulator ładowania słonecznego jest zasadniczo przeznaczony do paneli słonecznych o umiarkowanym napięciu wyjściowym od 15 do 18 woltów i od 10 do 40 watów. Tego rodzaju panele zwykle nadają się do akumulatorów o pojemności od 36 do 100 Ah.

Niemniej jednak, ponieważ regulator ładowania słonecznego ma zapewniać optymalny pobór prądu 10 A, można zastosować panele słoneczne o mocy 150 watów.

Obwód regulatora ładowarki słonecznej można również zastosować w wiatraki iz innymi źródłami napięcia, pod warunkiem, że napięcie wejściowe mieści się w zakresie 15-18 V.

Większość ciepła jest odprowadzana przez obciążenie czynne T2 / R13. Nie trzeba dodawać, że tranzystor MOSFET powinien być skutecznie chłodzony przez radiator, a R13 powinien być odpowiednio oceniany, aby wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury.

Moc R13 musi być zgodna z wartością znamionową panelu słonecznego. W (skrajnym) scenariuszu, gdy panel słoneczny jest podłączony z napięciem wyjściowym bez obciążenia 21 V, a także prądem zwarciowym 10 A, w takim scenariuszu T2 i R13 zaczynają rozpraszać moc równoważną napięciu różnica między akumulatorem a panelem słonecznym (około 7 V) pomnożona przez prąd zwarcia (10 A) lub po prostu 70 watów!

Może to faktycznie nastąpić po całkowitym naładowaniu baterii. Większość mocy jest uwalniana przez R13, ponieważ MOSFET oferuje wtedy bardzo niski opór. Wartość rezystora MOSFET R13 można szybko określić za pomocą następującego prawa Ohma:

R13 = P x I^dwa= 70 x 10^dwa= 0,7 oma

Ten rodzaj ekstremalnej wydajności paneli słonecznych może jednak wydawać się niezwykły. W prototypie regulatora ładowania słonecznego zastosowano rezystancję 0,25 Ω / 40 W składającą się z czterech równolegle podłączonych rezystorów 1 Ω / 10 W. Niezbędne chłodzenie dla T3 obliczane jest w ten sam sposób.

Zakładając, że najwyższy prąd wyjściowy wynosi 10 A (w porównaniu ze spadkiem napięcia o około 2,5 V na złączu dren-źródło), wówczas należy oszacować maksymalne rozpraszanie około 27 W.

Aby zagwarantować odpowiednie chłodzenie T3 nawet przy wysokich temperaturach tła (np. 50 ° C), radiator musi mieć opór cieplny 3,5 K / W lub mniejszy.

Części T2, T3 i D7 są umieszczone po jednej stronie płytki PCB, co ułatwia ich podłączenie do jednego wspólnego radiatora (z elementami izolacyjnymi).

W związku z tym należy uwzględnić rozpraszanie tych trzech półprzewodników, aw takim przypadku chcemy, aby radiator miał parametry cieplne 1,5 K / W lub wyższe. Typ opisany na liście części spełnia ten warunek.

Jak skonfigurować

Na szczęście obwód regulatora słonecznego akumulatora 100 Ah jest dość łatwy do skonfigurowania. Niemniej jednak zadanie to wymaga kilku (regulowane) zasilacze .

Jeden z nich jest dostosowany do napięcia wyjściowego 14,1 V i dołączony do przewodów akumulatora (oznaczonych jako „accu”) na płytce drukowanej. Drugi zasilacz musi mieć ogranicznik prądu.

To zasilanie jest dostosowane do napięcia jałowego panelu słonecznego (na przykład 21 V, jak we wcześniej podanym stanie) i podłączone do zacisków widełkowych oznaczonych jako 'komórki'.

Gdy odpowiednio wyregulujemy P1, napięcie powinno spaść do 14,1 V. Proszę się tym nie przejmować, ponieważ ogranicznik prądu i D7 gwarantują, że absolutnie nic nie może się zepsuć!

Aby uzyskać skuteczną regulację P2, należy pracować z obciążeniem nieco większym niż największe obciążenie, jakie może wystąpić na wyjściu. Jeśli chcesz wydobyć maksimum z tego projektu, spróbuj wybrać prąd obciążenia 10 A.

Można to osiągnąć za pomocą rezystora obciążającego 1 Ω x 120 W, składającego się na przykład z 10 rezystorów 10 Ω / 10 W równolegle. Ustawienie wstępne P2 jest na początku obrócone do wartości „Maksimum (wycieraczka w kierunku R14)”.

Następnie obciążenie jest podłączane do przewodów oznaczonych jako „obciążenie” na PCB. Powoli i ostrożnie dostrajaj P2, aż osiągniesz poziom, na którym T3 po prostu wyłącza się i odcina obciążenie. Po usunięciu rezystorów obciążenia, przewody „obciążenia” mogą zostać chwilowo zwarte, aby sprawdzić, czy bezpiecznik elektroniczny działa prawidłowo.

Układy PCB

Lista części

Rezystory:
RI = 1k
R2 = 120 tys
R3, R20 = 15 tys
R4, R15, R19 = 82 tys
R5 = 12k
R6 = 2,2 tys
R7, R14, R18, R21 = 100 tys
R8, R9 = 150 tys
R10 = 47 tys
R11 = 270 tys
R12, R16 = 1 M.
R13 = patrz tekst
R17 = 10 tys
P1 = 5k ustawienie wstępne
P2 = ustawienie wstępne 50k
Kondensatory:
Cl = 100nF
C2 = 2,2 uF / 25 V.
C3 = 10 uF / 16 V.
Półprzewodniki:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3,136 = czerwona dioda LED
D5 = LM336Z-2,5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Różne:
F1 = bezpiecznik 10 A (T) z uchwytem do montażu na PCB
8 zacisków widełkowych do montażu śrubowego
Radiator 1.251VW