Regolatore di carica solare per batteria da 100 Ah

Questo completo regolatore di carica solare è progettato per caricare efficacemente una grande batteria da 12 V 100 Ah con la massima efficienza. Il caricabatterie solare è praticamente infallibile in termini di sovraccarico della batteria, cortocircuito del carico o condizioni di corrente eccessiva.

Gli elementi chiave di questo circuito di regolazione solare da 100 Ah sono, ovviamente, il pannello solare e la batteria (12 V). La batteria qui funziona come un accumulatore di energia.

Lampade CC a bassa tensione e cose del genere potrebbero essere azionate direttamente dalla batteria, mentre a invertitore di potenza potrebbe essere utilizzato per convertire la tensione della batteria diretta in 240 V CA.

Tuttavia, tutte queste applicazioni generalmente non sono l'argomento di questo contenuto, su cui si concentra collegare una batteria con un pannello solare . Potrebbe sembrare troppo allettante collegare un pannello solare direttamente alla batteria per la ricarica, ma non è mai consigliabile. Un appropriato regolatore di carica è fondamentale per caricare qualsiasi batteria da un pannello solare.

L'importanza primaria del regolatore di carica è ridurre la corrente di carica durante il picco di luce solare quando il pannello solare assorbe quantità maggiori di corrente oltre il livello richiesto della batteria.

Ciò diventa importante perché la ricarica con corrente elevata potrebbe causare danni critici alla batteria e potrebbe certamente ridurre l'aspettativa di vita lavorativa della batteria.

Senza controller di carica, il pericolo di sovraccaricare la batteria di solito è imminente, poiché l'uscita di corrente di un pannello solare è determinata direttamente dal livello di irradiazione del sole o dalla quantità di luce solare incidente.

In sostanza, troverai un paio di metodi per governare la corrente di carica: attraverso regolatore di serie o un regolatore in parallelo.

Un sistema di regolazione in serie è solitamente sotto forma di un transistor che viene introdotto in serie tra il pannello solare e la batteria.

Il regolatore parallelo ha la forma di a regolatore 'shunt' fissato in parallelo con il pannello solare e la batteria. Il Regolatore da 100 Ah spiegato in questo post è in realtà un regolatore del regolatore solare di tipo parallelo.

La caratteristica fondamentale di a regolatore shunt è che non richiede elevate quantità di corrente finché la batteria non è completamente carica. In pratica, il suo consumo di corrente è talmente minore da poter essere ignorato.

Una volta che il file la batteria è completamente carica tuttavia, la potenza in eccesso viene dissipata in calore. In particolare nei pannelli solari più grandi, quella temperatura elevata richiede una struttura relativamente grande del regolatore.

Insieme al suo vero scopo, un dignitoso regolatore di carica fornisce inoltre sicurezza in molti modi, insieme a una protezione dallo scaricamento profondo della batteria, un fusibile elettronico e una sicurezza affidabile contro l'inversione di polarità per la batteria o il pannello solare.

Semplicemente perché l'intero circuito è guidato dalla batteria attraverso un diodo di salvaguardia della polarità errata, D1, il regolatore di carica solare continua a funzionare normalmente anche quando il pannello solare non fornisce corrente.

Il circuito utilizza la tensione di batteria non regolata (giunzione D2 -R4) insieme a una tensione di riferimento estremamente precisa di 2,5 V. generata utilizzando il diodo zener D5.

Poiché il regolatore di carica da solo funziona perfettamente con una corrente inferiore a 2 mA, la batteria viene caricata a malapena durante la notte o ogni volta che il cielo è nuvoloso.

Il minimo consumo di corrente da parte del circuito si ottiene utilizzando MOSFET di potenza tipo BUZ11, T2 e T3, la cui commutazione è dipendente dalla tensione, questo permette loro di funzionare praticamente a potenza di pilotaggio zero.

Il controllo della carica solare proposto per batteria da 100 Ah controlla la batteria tensione e regola il livello di conduzione del transistor T1.

Maggiore è la tensione della batteria, maggiore sarà la corrente che passa attraverso T1. Di conseguenza, la caduta di tensione intorno a R19 diventa più alta.

Questa tensione su R19 diventa la tensione di commutazione del gate per il MOSFET T2, che fa sì che il MOSFET commuti più duramente, facendo cadere la sua resistenza da drain a source.

A causa di ciò, il pannello solare viene caricato più pesantemente che dissipa la corrente in eccesso attraverso R13 e T2.

Il diodo Schottky D7 protegge la batteria dall'inversione accidentale dei terminali + e - del pannello solare.

Questo diodo interrompe inoltre il flusso di corrente dalla batteria al pannello solare nel caso in cui la tensione del pannello scenda al di sotto della tensione della batteria.

Come funziona il regolatore

Lo schema elettrico del regolatore del caricatore solare da 100 Ah è visibile nella figura sopra.

Gli elementi principali del circuito sono un paio di MOSFET 'pesanti' e un amplificatore operazionale quadruplo IC.

La funzione di questo IC, potrebbe essere suddivisa in 3 sezioni: il regolatore di tensione costruito attorno a IC1a, il controller di sovraccarico della batteria configurato attorno a IC1d e l'elettronica protezione da cortocircuito cablato attorno a IC1c.

IC1 funziona come il componente di controllo principale, mentre T2 funziona come un resistore di potenza adattabile. T2 insieme a R13 si comporta come un carico attivo all'uscita del pannello solare. Il funzionamento del regolatore è piuttosto semplice.

Una parte variabile della tensione della batteria viene applicata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale di controllo IC1a attraverso il partitore di tensione R4-P1-R3. Come discusso in precedenza, la tensione di riferimento di 2,5 V viene applicata all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale.

La procedura di lavoro della regolazione solare è abbastanza lineare. L'IC1a controlla la tensione della batteria, e non appena raggiunge la carica completa, accende T1, T2, provocando uno smistamento della tensione solare tramite R13.

Ciò garantisce che la batteria non venga sovraccaricata o caricata eccessivamente dal pannello solare. Le parti IC1b e D3 vengono utilizzate per indicare la condizione di 'carica della batteria'.

Il LED si accende quando la tensione della batteria raggiunge 13,1 V e quando viene avviato il processo di ricarica della batteria.

Come funzionano le fasi di protezione

L'opamp IC1d è configurato come un comparatore per monitorare il batteria scarica livello di tensione e garantire protezione contro la scarica profonda e MOSFET T3.

La tensione della batteria viene prima abbassata proporzionalmente a circa 1/4 del valore nominale dal partitore resistivo R8 / R10, dopodiché viene confrontata con una tensione di riferimento di 23 V ottenuta tramite D5. Il confronto è effettuato da IC1c.

I resistori del divisore di potenziale sono selezionati in modo tale che l'uscita di IC1d si abbassi quando la tensione della batteria scende al di sotto di un valore approssimativo di 9 V.

Il MOSFET T3 successivamente inibisce e interrompe il collegamento di massa tra la batteria e il carico. A causa dell'isteresi generata dal resistore di feedback R11, il comparatore non cambia stato fino a quando la tensione della batteria non ha raggiunto nuovamente i 12 V.

Il condensatore elettrolitico C2 impedisce che la protezione da scarica profonda venga attivata da cadute di tensione istantanee dovute, ad esempio, all'accensione di un carico massiccio.

La protezione da cortocircuito inclusa nel circuito funziona come un fusibile elettronico. Quando si verifica accidentalmente un cortocircuito, interrompe il carico dalla batteria.

Lo stesso è implementato anche tramite T3, che mostra la cruciale funzione gemella del MOSFET T13. Non solo il MOSFET funziona come un interruttore di cortocircuito, la sua giunzione drain-source svolge anche la sua parte come un resistore di calcolo.

La caduta di tensione generata su questo resistore viene ridotta da R12 / R18 e successivamente applicata all'ingresso invertente del comparatore IC1c.

Anche qui viene utilizzata come riferimento la precisa tensione fornita da D5. Finché la protezione da cortocircuito rimane inattiva, l'IC1c continua a fornire un'uscita logica 'alta'.

Questa azione blocca la conduzione di D4, in modo tale che l'uscita IC1d decide esclusivamente il potenziale di gate T3. Un intervallo di tensione di gate da circa 4 V a 6 V viene raggiunto con l'aiuto del partitore resistivo R14 / R15, consentendo di stabilire una chiara caduta di tensione sulla giunzione drain-source di T3.

Quando la corrente di carico raggiunge il livello più alto, la caduta di tensione aumenta rapidamente fino a quando il livello è appena sufficiente per attivare IC1c. Questo ora fa sì che il suo output diventi logico basso.

A causa di ciò, ora il diodo D4 si attiva, consentendo il cortocircuito a massa del gate T3. A causa di ciò ora il MOSFET si spegne, interrompendo il flusso di corrente. La rete R / C R12 / C3 decide il tempo di reazione del fusibile elettronico.

Viene impostato un tempo di reazione relativamente lento per evitare l'attivazione errata del funzionamento del fusibile elettronico a causa di un aumento momentaneo e momentaneo della corrente di carico.

Il LED D6, inoltre, viene utilizzato come riferimento da 1,6 V, assicurandosi che C3 non sia in grado di caricare oltre questo livello di tensione.

Quando il cortocircuito viene rimosso e il carico staccato dalla batteria, C3 viene scaricato gradualmente attraverso il LED (questo può richiedere fino a 7 secondi). Poiché il fusibile elettronico è progettato con una risposta ragionevolmente lenta, non significa che la corrente di carico possa raggiungere livelli eccessivi.

Prima che il fusibile elettronico possa attivarsi, la tensione di gate T3 richiede al MOSFET di limitare la corrente di uscita al punto determinato tramite l'impostazione del preset P2.

Per garantire che nulla si bruci o si frigga, il circuito dispone inoltre di un fusibile standard, F1, che è collegato in serie alla batteria, e fornisce la rassicurazione che un probabile guasto nel circuito non innescherebbe una catastrofe immediata.

Come ultimo scudo difensivo, D2 è stato incluso nel circuito. Questo diodo protegge gli ingressi IC1a e IC1b da eventuali danni dovuti a un collegamento accidentale della batteria.

Selezione del pannello solare

La scelta del pannello solare più adatto dipende, naturalmente, dalla potenza della batteria con cui si intende lavorare.

Il regolatore di carica solare è fondamentalmente progettato per pannelli solari con una tensione di uscita moderata da 15 a 18 volt e da 10 a 40 watt. Questi tipi di pannelli diventano tipicamente adatti per batterie da 36 a 100 Ah.

Tuttavia, poiché il regolatore di carica solare è specificato per fornire un assorbimento di corrente ottimale di 10 A, è possibile applicare pannelli solari da 150 watt.

Il circuito regolatore del caricatore solare può essere applicato anche in mulini a vento e con altre sorgenti di tensione, a condizione che la tensione di ingresso sia compresa tra 15 e 18 V.

La maggior parte del calore viene dissipata attraverso il carico attivo, T2 / R13. Inutile dire che il MOSFET dovrebbe essere efficacemente raffreddato attraverso un dissipatore di calore e R13 dovrebbe essere valutato adeguatamente per resistere a temperature estremamente elevate.

Il wattaggio R13 deve essere conforme alla valutazione del pannello solare. Nello scenario (estremo) in cui un pannello solare è collegato con una tensione di uscita a vuoto di 21 V, e anche una corrente di cortocircuito di 10 A, in tale scenario T2 e R13 iniziano a dissipare una potenza equivalente alla tensione differenza tra la batteria e il pannello solare (circa 7 V) moltiplicata per la corrente di corto circuito (10 A), o semplicemente 70 watt!

Ciò potrebbe effettivamente verificarsi una volta che la batteria è completamente carica. La maggior parte della potenza viene rilasciata tramite R13, poiché il MOSFET offre quindi una resistenza molto bassa. Il valore del resistore MOSFET R13 potrebbe essere rapidamente determinato attraverso la seguente legge di Ohm:

R13 = P x I^Due= 70 x 10^Due= 0,7 Ohm

Tuttavia, questo tipo di produzione estrema di pannelli solari potrebbe sembrare insolita. Nel prototipo del regolatore di carica solare, era stata applicata una resistenza di 0,25 Ω / 40 W composta da quattro resistori collegati in parallelo da 1Ω / 10 W. Il raffreddamento necessario per T3 viene calcolato allo stesso modo.

Supponendo che la corrente di uscita più alta sia 10 A (che si confronta con una caduta di tensione di circa 2,5 V sulla giunzione drain-source), allora deve essere valutata una dissipazione massima di circa 27W.

Per garantire un adeguato raffreddamento di T3 anche a temperature di fondo eccessive (es. 50 ° C), il dissipatore di calore deve utilizzare una resistenza termica di 3,5 K / W o inferiore.

Le parti T2, T3 e D7 sono disposte su un lato particolare del PCB, facilitando il loro facile collegamento a un singolo dissipatore di calore comune (con componenti di isolamento).

La dissipazione di questi tre semiconduttori deve, quindi, essere inclusa, e in tal caso vogliamo un dissipatore di calore con specifiche termiche di 1.5 K / W o superiori. Il tipo descritto nell'elenco delle parti soddisfa questo prerequisito.

Come impostare

Per fortuna, il circuito del regolatore solare della batteria da 100 Ah è abbastanza facile da configurare. Il compito, tuttavia, richiede un paio di alimentatori (regolati) .

Uno di questi è regolato su una tensione di uscita di 14,1 V e accoppiato ai cavi della batteria (designati 'accu') sul PCB. Il secondo alimentatore deve avere un limitatore di corrente.

Questa alimentazione è regolata alla tensione a circuito aperto del pannello solare, (ad esempio 21 V, come nella condizione precedentemente indicata), e accoppiata ai terminali a forcella designati a 'cellule'.

Quando regoliamo il P1 in modo appropriato, la tensione dovrebbe diminuire a 14,1 V. Per favore non preoccuparti di questo, poiché il limitatore di corrente e D7 garantiscono che assolutamente nulla può andare male!

Per una regolazione efficace di P2 è necessario lavorare con un carico leggermente superiore al carico più pesante che può verificarsi all'uscita. Se desideri estrarre il massimo da questo progetto, prova a scegliere una corrente di carico di 10 A.

Ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando un resistore di carico da 1Ω x120 W, costituito, ad esempio, da 10 resistori da 10Ω / 10 W in parallelo. La preimpostazione P2 è inizialmente ruotata su 'Massimo' (tergicristallo verso R14).

Dopodiché, il carico viene collegato ai conduttori designati come 'carico' sul PCB. Regolare lentamente e con cautela P2 fino a raggiungere il livello in cui T3 si spegne e interrompe il carico. Dopo la rimozione delle resistenze di carico, i cavi di 'carico' possono essere cortocircuitati momentaneamente per verificare che il fusibile elettronico funzioni correttamente.

Layout PCB

Elenco delle parti

Resistenze:
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 = 270k
R12, R16 = 1M
R13 = vedi testo
R17 = 10k
P1 = 5k preset
P2 = 50k preset
Condensatori:
Cl = 100nF
C2 = 2.2uF / 25V radiale
C3 = 10uF / 16V
Semiconduttori:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3,136 = LED rosso
D5 = LM336Z-2.5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Miscellanea:
F1 = fusibile 10 A (T) con supporto per montaggio su PCB
8 terminali a forcella per montaggio a vite
Dissipatore di calore 1.251VW