AVT5598 – Ładowarka słoneczna 12 V

Moduły fotowoltaiczne stają się coraz tańsze i tym samym coraz bardziej popularne. Z powodzeniem można je wykorzystać do ładowania akumulatorów np. w wiejskim domu lub elektronicznej stacji pogodowej. Opisywane urządzenie to kontroler ładowania przystosowany do pracy z napięciem wejściowym, które zmienia się w bardzo szerokim zakresie. Może się przydać na budowie, na kempingu lub kempingu.

1. Schemat ideowy ładowarki słonecznej

System służy do ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego (np. żelowego) w trybie buforowym, tj. po osiągnięciu ustawionego napięcia prąd ładowania zaczyna spadać. Dzięki temu bateria jest zawsze w trybie czuwania. Napięcie zasilania ładowarki może wahać się w granicach 4...25 V.

Możliwość wykorzystania zarówno silnego, jak i słabego światła słonecznego znacznie wydłuża czas ładowania w ciągu dnia. Prąd ładowania jest silnie zależny od napięcia wejściowego, ale to rozwiązanie ma przewagę nad ograniczaniem nadmiernego napięcia z modułu słonecznego.

Obwód ładowarki pokazano na ryc. 1. Źródłem zasilania DC jest konwerter topologii SEPIC oparty na tanim i dobrze znanym układzie MC34063A. Działa w typowej roli klucza. Jeśli napięcie dostarczane do komparatora (pin 5) jest zbyt niskie, wbudowany przełącznik tranzystorowy zaczyna pracować ze stałym wypełnieniem i częstotliwością. Praca zostaje zatrzymana, jeśli to napięcie przekroczy napięcie odniesienia (zwykle 1,25 V).

Przetworniki o topologii SEPIC, zdolne zarówno do podnoszenia, jak i obniżania napięcia wyjściowego, znacznie częściej wykorzystują kontrolery, które mogą zmieniać wypełnienie sygnału kluczowania. Wykorzystanie MC34063A w ​​tej roli jest rozwiązaniem nieczęstym, ale – jak pokazały testy prototypu – wystarczające do tego zastosowania. Kolejnym kryterium była cena, która w przypadku MC34063A jest znacznie niższa niż w przypadku sterowników PWM.

Dwa kondensatory C1 i C2 połączone równolegle służą do zmniejszenia rezystancji wewnętrznej zasilacza, takiego jak moduł fotowoltaiczny. Połączenie równoległe zmniejsza wynikowe parametry pasożytnicze, takie jak rezystancja i indukcyjność. Rezystor R1 służy do ograniczenia prądu tego procesu do około 0,44 A. Wyższy prąd może spowodować przegrzanie układu scalonego. Kondensator C3 ustawia częstotliwość roboczą na około 80 kHz.

Cewki L1 i L2 oraz wynikowa pojemność kondensatorów C4-C6 dobiera się tak, aby przekształtnik mógł pracować w bardzo szerokim zakresie napięć. Równoległe połączenie kondensatorów miało zredukować wynikowy ESR i ESL.

Dioda LED1 służy do testowania funkcjonalności kontrolera. Jeśli tak, to na cewce L2 osadza się zmienna składowa napięcia, co można zaobserwować po jarzeniu się tej diody. Włącza się po wciśnięciu przycisku S1, aby nie świecił bezsensownie przez cały czas. Rezystor R3 ogranicza jego prąd do około 2 mA, a D1 chroni diodę LED przed przebiciem spowodowanym nadmiernym napięciem wyłączania. Rezystor R4 został dodany dla lepszej stabilności konwertera przy niskim poborze prądu i niskim napięciu. Pochłania część energii, którą cewka L2 oddaje do obciążenia. Wpływa na wydajność, ale jest niewielki - efektywna wartość przepływającego przez nią prądu to zaledwie kilka miliamperów.

Kondensatory C8 i C9 wygładzają prąd tętnienia dostarczany przez diodę D2. Dzielnik rezystancyjny R5-R7 ustawia napięcie wyjściowe na około 13,5 V, co jest prawidłowym napięciem na zaciskach akumulatora żelowego 12 V podczas pracy buforowej. To napięcie powinno się nieznacznie różnić w zależności od temperatury, ale pominięto ten fakt, aby system był prosty. Ten dzielnik rezystorowy cały czas obciąża podłączony akumulator, więc powinien on mieć jak największą rezystancję.

Kondensator C7 zmniejsza tętnienie napięcia obserwowane przez komparator i spowalnia odpowiedź pętli sprzężenia zwrotnego. Bez tego przy odłączonym akumulatorze napięcie wyjściowe może przekroczyć bezpieczną wartość dla kondensatorów elektrolitycznych, czyli ucieczkę. Dodanie tego kondensatora powoduje, że system od czasu do czasu przestaje przełączać klucz.

Ładowarka montowana jest na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 89×27 mm, której schemat montażowy pokazano na rys. rysunek 2. Wszystkie elementy znajdują się w obudowach przewlekanych, co jest dużą pomocą nawet dla osób, które nie mają dużego doświadczenia z lutownicą. Proponuję nie używać gniazda IC, ponieważ zwiększy to rezystancję połączeń z tranzystorem przełączającym.

2. Schemat instalacji ładowarki słonecznej

Prawidłowo zmontowane urządzenie jest od razu gotowe do pracy i nie wymaga żadnego uruchomienia. W ramach sterowania można podać na jego wejście stałe napięcie i regulować je w zadanym zakresie 4...20 V, obserwując wskazania woltomierza podłączonego do wyjścia. Powinien zmieniać piłokształtny w zakresie ok. 18...13,5 V. Pierwsza wartość związana jest z ładowaniem kondensatorów i nie jest krytyczna, ale przy 13,5 V przetwornica powinna znów działać.

Prąd ładowania zależy od aktualnej wartości napięcia wejściowego, ponieważ prąd wejściowy jest ograniczony do około 0,44 A. Pomiary wykazały, że prąd ładowania akumulatora waha się od około 50 mA (4 V) do około 0,6 AA przy napięciu 20 V. Wartość tę można zmniejszyć, zwiększając rezystancję R1, co czasami jest wskazane w przypadku akumulatorów o małej pojemności (2 Ah).

Ładowarka przystosowana jest do współpracy z modułem fotowoltaicznym o napięciu znamionowym 12 V. Na jej wyjściach mogą występować napięcia do 20...22 V przy niskim poborze prądu, dlatego instalowane są kondensatory przystosowane do napięcia 25 V na wejściu konwertera Straty są tak duże, że akumulator jest prawie nie naładowany.

Aby w pełni wykorzystać ładowarkę, podłącz moduł o mocy 10 W lub większej. Przy mniejszej mocy bateria będzie się również ładować, ale wolniej.

Lista komponentów:

Rezystory:

R1: 0,68 oma/1 W

R2: 180 oma/0,25 W

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

Skraplacz:

C1, C2, C8, C9: 220µF/25V

C3: 330 pF (ceramika)

C4…C6: 2,2 μF/50 V (MKT R = 5 mm)

C7: 1µF/50V (monolit)

Półprzewodniki:

D1: 1H4148

D2: 1H5819

LED1: 5mm LED, np. zielony

US1:MC34063A(DIP8)

Drugie:

J1, J2: złącze ARK2/5mm

L1, L2: ssanie 220uH (pionowe)

S1: mikroprzełącznik 6×6/13mm