AVT5598 – Ηλιακός φορτιστής 12V

Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια γίνονται φθηνότερα και ως εκ τούτου γίνονται πιο δημοφιλή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για τη φόρτιση μπαταριών, για παράδειγμα, σε εξοχική κατοικία ή ηλεκτρονικό μετεωρολογικό σταθμό. Η περιγραφόμενη συσκευή είναι ένας ελεγκτής φόρτισης προσαρμοσμένος να λειτουργεί με τάση εισόδου που ποικίλλει σε πολύ μεγάλο εύρος. Μπορεί να είναι χρήσιμο στην τοποθεσία, σε χώρο κατασκήνωσης ή κατασκήνωσης.

1. Σχηματικό διάγραμμα του ηλιακού φορτιστή

Το σύστημα χρησιμοποιείται για τη φόρτιση μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος (για παράδειγμα, gel) σε λειτουργία buffer, π.χ. μετά την επίτευξη της καθορισμένης τάσης, το ρεύμα φόρτισης αρχίζει να πέφτει. Ως αποτέλεσμα, η μπαταρία βρίσκεται πάντα σε κατάσταση αναμονής. Η τάση τροφοδοσίας του φορτιστή μπορεί να ποικίλλει εντός 4 ... 25 V.

Η δυνατότητα χρήσης τόσο ισχυρού όσο και αδύναμου ηλιακού φωτός αυξάνει σημαντικά τον χρόνο φόρτισης ανά ημέρα. Το ρεύμα φόρτισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τάση εισόδου, αλλά αυτή η λύση έχει πλεονεκτήματα σε σχέση με τον απλό περιορισμό της υπερβολικής τάσης από την ηλιακή μονάδα.

Το κύκλωμα φορτιστή φαίνεται στην εικ. 1. Η πηγή συνεχούς ρεύματος είναι ένας μετατροπέας τοπολογίας SEPIC που βασίζεται στο φτηνό και γνωστό σύστημα MC34063A. Λειτουργεί στον τυπικό ρόλο του κλειδιού. Εάν η τάση που παρέχεται στον συγκριτή (ακίδα 5) είναι πολύ χαμηλή, ο ενσωματωμένος διακόπτης τρανζίστορ αρχίζει να λειτουργεί με σταθερή πλήρωση και συχνότητα. Η λειτουργία διακόπτεται εάν αυτή η τάση υπερβαίνει την τάση αναφοράς (συνήθως 1,25 V).

Οι μετατροπείς τοπολογίας SEPIC, ικανοί τόσο να αυξάνουν όσο και να μειώνουν την τάση εξόδου, πολύ πιο συχνά χρησιμοποιούν ελεγκτές που μπορούν να αλλάξουν το padding του σήματος κλειδώματος. Η χρήση του MC34063A σε αυτόν τον ρόλο είναι μια σπάνια λύση, αλλά - όπως φαίνεται από τη δοκιμή πρωτοτύπων - επαρκής για αυτήν την εφαρμογή. Ένα άλλο κριτήριο ήταν η τιμή, η οποία στην περίπτωση του MC34063A είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των ελεγκτών PWM.

Δύο πυκνωτές C1 και C2 συνδεδεμένοι παράλληλα χρησιμοποιούνται για τη μείωση της εσωτερικής αντίστασης ενός τροφοδοτικού όπως μια φωτοβολταϊκή μονάδα. Η παράλληλη σύνδεση μειώνει τις προκύπτουσες παρασιτικές παραμέτρους όπως η αντίσταση και η επαγωγή. Η αντίσταση R1 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος αυτής της διαδικασίας σε περίπου 0,44 Α. Το υψηλότερο ρεύμα μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Ο πυκνωτής C3 ρυθμίζει τη συχνότητα λειτουργίας στα 80 kHz περίπου.

Οι επαγωγείς L1 και L2 και η προκύπτουσα χωρητικότητα των πυκνωτών C4-C6 επιλέγονται έτσι ώστε ο μετατροπέας να μπορεί να λειτουργεί σε πολύ μεγάλο εύρος τάσης. Η παράλληλη σύνδεση των πυκνωτών υποτίθεται ότι μειώνει το προκύπτον ESR και ESL.

Η δίοδος LED1 χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της λειτουργικότητας του ελεγκτή. Αν ναι, τότε το μεταβλητό στοιχείο της τάσης εναποτίθεται στο πηνίο L2, το οποίο μπορεί να παρατηρηθεί από τη λάμψη αυτής της διόδου. Ανάβει πατώντας το κουμπί S1 για να μην λάμπει συνεχώς χωρίς νόημα. Η αντίσταση R3 περιορίζει το ρεύμα της σε περίπου 2 mA και η D1 προστατεύει τη δίοδο LED από βλάβη που προκαλείται από υπερβολική τάση απενεργοποίησης. Η αντίσταση R4 προστίθεται για καλύτερη σταθερότητα του μετατροπέα σε χαμηλή κατανάλωση ρεύματος και χαμηλή τάση. Απορροφά μέρος της ενέργειας που δίνει το πηνίο L2 στο φορτίο. Επηρεάζει την απόδοση, αλλά είναι μικρή - η πραγματική τιμή του ρεύματος που διαρρέει είναι μόνο μερικά milliamps.

Οι πυκνωτές C8 και C9 εξομαλύνουν το ρεύμα κυματισμού που παρέχεται μέσω της διόδου D2. Ο αντιστατικός διαιρέτης R5-R7 ρυθμίζει την τάση εξόδου σε περίπου 13,5 V, που είναι η σωστή τάση στους ακροδέκτες της μπαταρίας τζελ 12 V κατά τη λειτουργία του buffer. Αυτή η τάση θα πρέπει να ποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με τη θερμοκρασία, αλλά αυτό το γεγονός έχει παραλειφθεί για να παραμείνει το σύστημα απλό. Αυτός ο διαχωριστής αντίστασης φορτώνει τη συνδεδεμένη μπαταρία όλη την ώρα, επομένως θα πρέπει να έχει την υψηλότερη δυνατή αντίσταση.

Ο πυκνωτής C7 μειώνει τον κυματισμό τάσης που βλέπει ο συγκριτής και επιβραδύνει την απόκριση του βρόχου ανάδρασης. Χωρίς αυτό, όταν η μπαταρία αποσυνδεθεί, η τάση εξόδου μπορεί να υπερβεί την ασφαλή τιμή για ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, δηλαδή διαφυγή. Η προσθήκη αυτού του πυκνωτή αναγκάζει το σύστημα να σταματά να αλλάζει το κλειδί από καιρό σε καιρό.

Ο φορτιστής είναι τοποθετημένος σε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μονής όψης με διαστάσεις 89 × 27 mm, το διάγραμμα συναρμολόγησης του οποίου φαίνεται στο Σχ. σχήμα 2. Όλα τα στοιχεία βρίσκονται σε περιβλήματα διαμπερούς οπής, κάτι που βοηθάει πολύ ακόμη και για άτομα που δεν έχουν μεγάλη εμπειρία με κολλητήρι. Προτείνω να μην χρησιμοποιείτε υποδοχή IC γιατί αυτό θα αυξήσει την αντίσταση των συνδέσεων στο τρανζίστορ του διακόπτη.

2. Διάγραμμα εγκατάστασης ηλιακού φορτιστή

Μια σωστά συναρμολογημένη συσκευή είναι άμεσα έτοιμη για λειτουργία και δεν απαιτεί καμία θέση σε λειτουργία. Ως μέρος του ελέγχου, μπορείτε να εφαρμόσετε μια σταθερή τάση στην είσοδό του και να τη ρυθμίσετε σε μια δεδομένη περιοχή 4 ... 20 V, παρατηρώντας τις ενδείξεις ενός βολτόμετρου που είναι συνδεδεμένο στην έξοδο. Θα πρέπει να αλλάξει το πριονωτό δόντι στην περιοχή περίπου 18 ... 13,5 V. Η πρώτη τιμή σχετίζεται με τη φόρτιση των πυκνωτών και δεν είναι κρίσιμη, αλλά στα 13,5 V ο μετατροπέας θα πρέπει να λειτουργήσει ξανά.

Το ρεύμα φόρτισης εξαρτάται από την τρέχουσα τιμή της τάσης εισόδου, καθώς το ρεύμα εισόδου περιορίζεται σε περίπου 0,44 A. Οι μετρήσεις έχουν δείξει ότι το ρεύμα φόρτισης της μπαταρίας κυμαίνεται από περίπου 50 mA (4 V) έως περίπου 0,6 A.A σε τάση 20 V. Μπορείτε να μειώσετε αυτήν την τιμή αυξάνοντας την αντίσταση R1, η οποία μερικές φορές συνιστάται για μπαταρίες μικρής χωρητικότητας (2 Ah).

Ο φορτιστής είναι προσαρμοσμένος να λειτουργεί με φωτοβολταϊκή μονάδα με ονομαστική τάση 12 V. Στις εξόδους του μπορούν να υπάρχουν τάσεις έως και 20 ... 22 V με χαμηλή κατανάλωση ρεύματος, επομένως, τοποθετούνται πυκνωτές προσαρμοσμένοι στην τάση 25 V στην είσοδο του μετατροπέα Οι απώλειες είναι τόσο υψηλές που η μπαταρία δύσκολα φορτίζεται.

Για να εκμεταλλευτείτε πλήρως τον φορτιστή, συνδέστε μια μονάδα με ισχύ 10 W ή μεγαλύτερη. Με λιγότερη ισχύ, η μπαταρία θα φορτίζεται επίσης, αλλά πιο αργά.

Λίστα συστατικών:

Αντιστάσεις:

R1: 0,68 ohm/1W

R2: 180 ohm/0,25W

R3: 6,8 kΩ / 0,25 W

R4: 2,2 kΩ / 0,25 W

R5: 68 kΩ / 0,25 W

R6: 30 kΩ / 0,25 W

R7: 10 kΩ / 0,25 W

Πυκνωτές:

C1, C2, C8, C9: 220 μF/25 V

C3: 330 pF (κεραμικό)

C4…C6: 2,2 μF/50 V (MKT R = 5 mm)

C7: 1µF/50V (μονόλιθος.)

Ημιαγωγοί:

D1: 1H4148

D2: 1H5819

LED1: LED 5mm, π.χ. πράσινο

US1:MC34063A(DIP8)

άλλα:

J1, J2: Υποδοχή ARK2/5mm

L1, L2: Τσοκ 220uH (Κάθετο)

S1: μικροδιακόπτης 6×6/13mm