Regulátor solárneho nabíjania pre batériu 100 Ah

Tento komplexný regulátor solárneho nabíjania je navrhnutý tak, aby efektívne nabíjal veľkú batériu 12 V 100 Ah s maximálnou účinnosťou. Solárna nabíjačka je prakticky úplne bezpečná z hľadiska prebitia batérie, skratu záťaže alebo z hľadiska aktuálnych podmienok.

Kľúčovými prvkami tohto 100 Ah obvodu solárneho regulátora sú zjavne solárny panel a (12 V) batéria. Batéria tu funguje ako jednotka na skladovanie energie.

Nízkonapäťové jednosmerné žiarovky a podobné veci môžu byť napájané priamo z batérie, zatiaľ čo výkonový menič sa dá prevádzkovať na prevedenie priameho napätia batérie na 240 V str.

Napriek tomu všetky tieto aplikácie spravidla nie sú témou tohto obsahu, na ktorý sa zameriava zapojenie batérie pomocou solárneho panelu . Môže sa zdať príliš lákavé pripojiť solárny panel priamo k batérii na nabíjanie, ale to sa nikdy neodporúča. Príslušný regulátor nabíjania je zásadný pre nabíjanie akejkoľvek batérie zo solárneho panelu.

Primárnym významom regulátora nabíjania je zníženie nabíjacieho prúdu počas špičkového slnečného žiarenia, keď solárny panel získava väčšie množstvo prúdu nad požadovanú úroveň batérie.

To sa stáva dôležitým, pretože nabíjanie veľkým prúdom môže viesť k kritickému poškodeniu batérie a určite k zníženiu predpokladanej životnosti batérie.

Bez regulátora nabíjania, nebezpečenstvo prebíjanie batérie je zvyčajne hroziaci, pretože aktuálny výkon solárneho panelu je priamo určený úrovňou ožiarenia slnkom alebo množstvom dopadajúceho slnečného žiarenia.

V zásade nájdete niekoľko spôsobov riadenia nabíjacieho prúdu: prostredníctvom radový regulátor alebo paralelný regulátor.

Systém sériového regulátora je zvyčajne vo forme tranzistora, ktorý je zapojený do série medzi solárny panel a batériu.

Paralelný regulátor je vo forme a regulátor „bočníka“ pripevnené paralelne so solárnym panelom a batériou. The 100 Ah regulátor vysvetlené v tomto príspevku je vlastne regulátor solárneho regulátora paralelného typu.

Kľúčovou vlastnosťou a regulátor bočníka je to, že nevyžaduje veľké množstvo prúdu, kým nie je batéria úplne nabitá. Prakticky povedané, jeho vlastná súčasná spotreba je taká menšia, že ju možno ignorovať.

Raz batéria je úplne nabitá , avšak prebytočný výkon sa rozptýli do tepla. Konkrétne u väčších solárnych panelov si táto vysoká teplota vyžaduje pomerne veľkú štruktúru regulátora.

Spolu s jeho skutočným účelom, slušné regulátor nabíjania navyše poskytuje mnohými spôsobmi bezpečnosť spolu s ochranou pred hlbokým vybitím batérie, elektronická poistka a spoľahlivé zabezpečenie proti prepólovaniu batérie alebo solárneho panelu.

Jednoducho preto, že celý obvod je napájaný batériou cez ochrannú diódu D1 s nesprávnou polaritou, regulátor solárneho nabíjania pokračuje v normálnej činnosti, aj keď solárny panel nedodáva prúd.

Obvod využíva neregulované napätie batérie (križovatka D2-R4) spolu s mimoriadne presným referenčným napätím 2,5 V., ktoré sa generuje pomocou zenerovej diódy D5.

Pretože regulátor nabíjania sám o sebe perfektne funguje s prúdom nižším ako 2 mA, batéria sa sotva nabije v noci alebo kedykoľvek je zamračená obloha.

Minimálna spotreba prúdu v obvode sa dosahuje použitím výkonových MOSFETov typu BUZ11, T2 a T3, ktorých spínanie je závislé od napätia, čo im umožňuje pracovať pri prakticky nulovom výkone pohonu.

Navrhované riadenie solárneho nabíjania pre batériu 100 Ah monitoruje batériu napätie a reguluje úroveň vedenia tranzistora T1.

Čím väčšie je napätie batérie, tým vyšší bude prúd prechádzajúci cez T1. Vo výsledku sa pokles napätia okolo R19 zvýši.

Toto napätie na R19 sa stáva hradlovým spínacím napätím pre MOSFET T2, čo spôsobí, že MOSFET sa prepína ťažšie a klesá jeho odpor odtoku k zdroju.

Vďaka tomu je solárny panel silnejšie zaťažený, čo odvádza prebytočný prúd cez R13 a T2.

Schottkyho dióda D7 chráni batériu pred náhodným otočením svoriek + a - na solárnom paneli.

Táto dióda dodatočne zastaví tok prúdu z batérie do solárneho panelu v prípade, že napätie panelu klesne pod napätie batérie.

Ako funguje regulátor

Schéma zapojenia regulátora solárnej nabíjačky 100 Ah je znázornená na obrázku vyššie.

Primárnymi prvkami obvodu sú niekoľko „ťažkých“ MOSFETov a štvornásobný integrovaný zosilňovač.

Funkciu tohto integrovaného obvodu je možné rozdeliť na 3 časti: regulátor napätia zabudovaný okolo IC1a, regulátor prebitia batérie nakonfigurovaný okolo IC1d a elektronický ochrana proti skratu drôtové pripojenie okolo IC1c.

IC1 funguje ako hlavný riadiaci komponent, zatiaľ čo T2 funguje ako adaptabilný výkonový rezistor. T2 sa spolu s R13 správa ako aktívna záťaž na výstupe solárneho panelu. Fungovanie regulátora je dosť jednoduché.

Variabilná časť napätia batérie sa privádza na neinvertujúci vstup riadiaceho operačného zosilňovača IC1a cez delič napätia R4-P1-R3. Ako už bolo diskutované, referenčné napätie 2,5 V sa privádza na invertujúci vstup operačného zosilňovača.

Pracovný postup solárnej regulácie je dosť lineárny. IC1a kontroluje napätie batérie a akonáhle dosiahne úplné nabitie, zapne T1, T2, čo spôsobí posun solárneho napätia cez R13.

To zaisťuje, že batéria nie je prebitá alebo nabitá solárnym panelom. Časti IC1b a D3 sa používajú na indikáciu stavu „nabíjania batérie“.

LED dióda sa rozsvieti, keď napätie batérie dosiahne 13,1 V a keď sa spustí proces nabíjania batérie.

Ako fungujú fázy ochrany

Operačný zosilňovač IC1d je nastavený ako komparátor na monitorovanie Slabá batéria úroveň napätia a zaistiť ochranu proti hlbokému vybitiu a MOSFET T3.

Napätie batérie najskôr úmerne poklesne na asi 1/4 menovitej hodnoty odporovým deličom R8 / R10, potom sa porovná s referenčným napätím 23 V získaným pomocou D5. Porovnanie sa uskutočňuje pomocou IC1c.

Rezistory deliča potenciálu sa vyberajú tak, aby sa výstup IC1d znížil, akonáhle napätie batérie klesne pod približnú hodnotu 9 V.

MOSFET T3 následne blokuje a preruší zemné spojenie cez batériu a záťaž. Kvôli hysterézii generovanej spätnoväzbovým rezistorom R11 komparátor nezmení stav, kým napätie batérie opäť nedosiahne 12 V.

Elektrolytický kondenzátor C2 zabraňuje aktivácii ochrany proti hlbokému vybitiu okamžitými poklesmi napätia napríklad v dôsledku zapnutia veľkej záťaže.

Ochrana proti skratu zahrnutá v obvode funguje ako elektronická poistka. Ak dôjde k náhodnému skratu, odpojí to batériu.

To isté sa implementuje aj prostredníctvom T3, ktorá ukazuje rozhodujúcu dvojitú funkciu MOSFET T13. MOSFET funguje nielen ako prerušovač skratu, ale jeho prepojenie odtoku k zdroju navyše hrá svoju úlohu ako výpočtový odpor.

Pokles napätia generovaný cez tento rezistor sa zmenší pomocou R12 / R18 a následne sa použije na invertujúci vstup komparátora IC1c.

Aj tu sa ako referencia používa presné napätie poskytnuté D5. Pokiaľ ochrana proti skratu zostáva neaktívna, IC1c naďalej poskytuje „vysoký“ logický výstup.

Táto akcia blokuje vedenie D4, takže výstup IC1d výlučne rozhoduje o potenciáli brány T3. Rozsah hradlového napätia okolo 4 V až 6 V sa dosahuje pomocou odporového deliča R14 / R15, čo umožňuje stanoviť jasný pokles napätia na križovatke odtoku k zdroju T3.

Akonáhle sa prúd záťaže dostane na najvyššiu úroveň, pokles napätia rýchlo stúpa, až kým úroveň nebude stačiť na prepnutie IC1c. To teraz spôsobí, že sa jeho výstup stane logicky nízkym.

Z tohto dôvodu sa teraz aktivuje dióda D4, ktorá umožňuje skratovanie brány T3 so zemou. Z tohto dôvodu sa MOSFET vypne a zastaví tok prúdu. Sieť R / C R12 / C3 rozhoduje o reakčnom čase elektronickej poistky.

Je nastavený pomerne pomalý reakčný čas, aby sa zabránilo nesprávnej aktivácii činnosti elektronickej poistky v dôsledku občasného vysokého zvýšenia prúdu v záťažovom prúde.

LED D6 je navyše použitá ako referencia 1,6 V, čo zaisťuje, že C3 nie je schopná nabíjať nad túto úroveň napätia.

Po odstránení skratu a odpojení záťaže od batérie sa C3 vybíja postupne prostredníctvom LED (môže to trvať až 7 sekúnd). Pretože elektronická poistka je navrhnutá s primerane pomalou odozvou, neznamená to, že prúd záťaže bude môcť dosiahnuť nadmernú úroveň.

Predtým, ako sa elektronická poistka môže aktivovať, napätie hradla T3 vyzve MOSFET, aby obmedzil výstupný prúd na bod, ktorý je určený nastavením predvoľby P2.

Aby sa zabezpečilo, že sa nič nespáli a nerozpáli, obvod je navyše vybavený štandardnou poistkou F1, ktorá je pripojená k sérii s batériou, a poskytuje ubezpečenie, že pravdepodobný rozpad obvodu by nespôsobil okamžitú katastrofu.

Ako ultimátny obranný štít bol do okruhu zahrnutý D2. Táto dióda chráni vstupy IC1a a IC1b pred poškodením v dôsledku náhodného reverzného pripojenia batérie.

Výber solárneho panelu

Rozhodnutie o najvhodnejšom solárnom paneli samozrejme závisí od hodnoty Ah batérie, s ktorou chcete pracovať.

Regulátor solárneho nabíjania je v zásade navrhnutý pre solárne panely so stredným výstupným napätím 15 až 18 voltov a 10 až 40 wattov. Tieto druhy panelov sú zvyčajne vhodné pre batérie s výkonom medzi 36 a 100 Ah.

Pretože je regulátor solárneho nabíjania špecifikovaný tak, aby poskytoval optimálny odber prúdu 10 A, môžu sa dobre použiť solárne panely s výkonom 150 W.

Môže byť použitý aj obvod regulátora solárnej nabíjačky veterné mlyny a s inými zdrojmi napätia za predpokladu, že vstupné napätie je v rozsahu 15 - 18 V.

Väčšina tepla sa odvádza aktívnym zaťažením T2 / R13. Netreba dodávať, že MOSFET by mal byť efektívne chladený cez chladič a R13 by mala byť adekvátne dimenzovaná na odolnosť voči extrémne vysokým teplotám.

Príkon R13 musí zodpovedať výkonu solárneho panelu. V (extrémnom) scenári, keď je solárny panel zapojený s výstupným napätím naprázdno 21 V a tiež skratovým prúdom 10 A, v takom scenári T2 a R13 začnú disipovať výkon ekvivalentný napätiu rozdiel medzi batériou a solárnym panelom (okolo 7 V) vynásobený skratovým prúdom (10 A), alebo jednoducho 70 wattov!

K tomu môže skutočne dôjsť, keď je batéria úplne nabitá. Väčšina energie sa uvoľňuje cez R13, pretože MOSFET potom ponúka veľmi nízky odpor. Hodnota MOSFET rezistora R13 sa dala rýchlo určiť pomocou nasledujúceho Ohmovho zákona:

R13 = P x I^dva= 70 x 10^dva= 0,7 ohmov

Tento druh extrémneho výkonu solárnych panelov sa však môže javiť ako neobvyklý. V prototype regulátora solárneho nabíjania bol použitý odpor 0,25 Ω / 40 W pozostávajúci zo štyroch paralelne pripojených odporov 1 Ω / 10 W. Potrebné chladenie pre T3 sa počíta rovnakým spôsobom.

Za predpokladu, že najvyšší výstupný prúd je 10 A (v porovnaní s poklesom napätia o približne 2,5 V na križovatke odtoku a zdroja), musí sa vyhodnotiť maximálny rozptyl asi 27 W.

Aby sa zaručilo adekvátne chladenie T3 aj pri nadmerných teplotách pozadia (napr. 50 ° C), musí chladič používať tepelný odpor 3,5 K / W alebo menej.

Časti T2, T3 a D7 sú usporiadané na jednej konkrétnej strane PCB, čo umožňuje ich ľahké pripevnenie k jedinému spoločnému chladiču (s izolačnými komponentmi).

Musí teda byť zahrnutý rozptýlenie týchto troch polovodičov a my v takom prípade chceme chladič s tepelnými parametrami 1,5 K / W alebo vyššími. Typ popísaný v zozname dielov spĺňa túto podmienku.

Ako sa nastavuje

Našťastie je nastavenie solárneho regulátora batérie 100 Ah celkom jednoduché. Táto úloha si však vyžaduje niekoľko (regulované) napájacie zdroje .

Jeden z nich je nastavený na výstupné napätie 14,1 V a je pripojený k vodičom batérie (označené „accu“) na PCB. Druhý napájací zdroj musí mať obmedzovač prúdu.

Tento zdroj je upravený na napätie naprázdno solárneho panelu (napríklad 21 V, ako v predtým uvedenom stave) a je pripojený k rýľovým svorkám označeným ako „bunky“.

Keď správne nastavíme P1, malo by sa napätie znížiť na 14,1 V. Nerobte si z toho starosti, pretože obmedzovač prúdu a D7 zaručujú, že sa nemôže pokaziť absolútne nič!

Pre efektívne nastavenie P2 musíte pracovať so záťažou, ktorá je o niečo vyššia ako najťažšia záťaž, ktorá sa môže na výstupe vyskytnúť. Ak chcete z tejto konštrukcie vyťažiť maximum, skúste zvoliť záťažový prúd 10 A.

To by sa dalo dosiahnuť použitím záťažového rezistora 1 Ω x 120 W, ktorý sa skladá napríklad z 10 paralelných odporov 10 Ω / 10 W. Predvoľba P2 je na začiatku zatočená do polohy „Maximum“ (stierač smerom k R14).

Potom sa záťaž pripojí k vodičom označeným ako „záťaž“ na PCB. Pomaly a opatrne dolaďte P2, až kým nedosiahnete úroveň, pri ktorej sa T3 iba vypne a odreže záťaž. Po odstránení záťažových odporov je možné na chvíľu skratovať „záťažové“ vodiče, aby sa vyskúšalo, či elektronická poistka funguje správne.

Usporiadania DPS

Zoznam položiek

Rezistory:
RI = 1k
R2 = 120 tis
R3, R20 = 15k
R4, R15, R19 = 82k
R5 = 12k
R6 = 2,2k
R7, R14, R18, R21 = 100k
R8, R9 = 150k
R10 = 47k
R11 = 270k
R12, R16 = 1M
R13 = pozri text
R17 = 10k
P1 = 5k predvoľba
P2 = 50k predvoľba
Kondenzátory:
Cl = 100 nF
C2 = 2,2uF / 25V radiálne
C3 = 10uF / 16V
Polovodiče:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3 136 = LED červená
D5 = LM336Z-2,5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Zmiešaný:
F1 = poistka 10 A (T) s držiakom na montáž na DPS
8 rýľových svoriek na skrutkovú montáž
Chladič 1.251VW