جهاز التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية لبطارية 100 آه

جرب أداة القضاء على المشاكل





تم تصميم وحدة التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية الشاملة هذه لشحن بطارية كبيرة بقوة 12 فولت و 100 أمبير في الساعة بكفاءة قصوى. يعد الشاحن الشمسي مضمونًا عمليًا من حيث البطارية الزائدة أو تحميل دائرة كهربائية قصيرة أو الظروف الحالية.

العناصر الرئيسية لدائرة منظم الطاقة الشمسية 100 Ah هي ، من الواضح ، اللوحة الشمسية والبطارية (12 فولت). تعمل البطارية هنا كوحدة تخزين للطاقة.



يمكن أن تكون مصابيح DC ذات الجهد المنخفض وأشياء من هذا القبيل مدفوعة مباشرة من البطارية ، في حين أن a محول الطاقة يمكن تشغيلها لتحويل جهد البطارية المباشر إلى 240 فولت تيار متردد.

ومع ذلك ، فإن كل هذه التطبيقات بشكل عام ليست موضوع هذا المحتوى الذي يركز عليه توصيل بطارية بلوح شمسي . قد يبدو من المغري جدًا توصيل لوحة شمسية مباشرة بالبطارية لشحنها ، ولكن لا يُنصح بذلك مطلقًا. ملائم متحكم الشحن أمر بالغ الأهمية لشحن أي بطارية من لوحة شمسية.



تتمثل الأهمية الأساسية لوحدة التحكم في الشحن في تقليل تيار الشحن أثناء ذروة ضوء الشمس عندما توفر الألواح الشمسية كميات أعلى من التيار تتجاوز المستوى المطلوب للبطارية.

يصبح هذا مهمًا لأن الشحن بالتيار العالي قد يؤدي إلى ضرر جسيم للبطارية ، وقد يؤدي بالتأكيد إلى تقليل متوسط ​​عمر البطارية المتوقع.

مع عدم وجود تحكم المسؤول ، فإن خطر الشحن الزائد للبطارية عادة ما يكون وشيكًا ، نظرًا لأن الناتج الحالي للوحة الشمسية يتم تحديده بشكل مباشر من خلال مستوى الإشعاع من الشمس ، أو كمية ضوء الشمس الساقط.

بشكل أساسي ، ستجد طريقتين للتحكم في تيار الشحن: من خلال منظم سلسلة أو منظم مواز.

عادة ما يكون نظام المنظم المتسلسل في شكل ترانزستور يتم إدخاله في سلسلة بين اللوحة الشمسية والبطارية.

المنظم المتوازي في شكل أ منظم 'التحويلة' تعلق بالتوازي مع الألواح الشمسية والبطارية. ال 100 آه منظم الموضح في هذا المنشور هو في الواقع وحدة تحكم منظم للطاقة الشمسية من النوع المتوازي.

السمة الرئيسية لملف منظم التحويلة هو أنه لا يتطلب كميات كبيرة من التيار حتى يتم شحن البطارية بالكامل. من الناحية العملية ، استهلاكها الحالي أقل بكثير بحيث يمكن تجاهله.

مرة واحدة في البطارية مشحونة بالكامل ومع ذلك ، يتم تبديد الطاقة الزائدة إلى حرارة. على وجه التحديد في الألواح الشمسية الأكبر حجمًا ، تتطلب درجة الحرارة المرتفعة تلك هيكلًا ضخمًا نسبيًا للمنظم.

جنبا إلى جنب مع الغرض الحقيقي ، لائق متحكم الشحن بالإضافة إلى ذلك ، يوفر الأمان بعدة طرق ، إلى جانب الحماية من التفريغ العميق للبطارية ، و فتيل إلكتروني وسلامة يمكن الاعتماد عليها تجاه انعكاس القطبية للبطارية أو اللوحة الشمسية.

ببساطة لأن الدائرة بأكملها مدفوعة بالبطارية من خلال صمام ثنائي خاطئ لحماية القطبية ، D1 ، يستمر منظم الشحن الشمسي في العمل بشكل طبيعي حتى عندما لا توفر اللوحة الشمسية التيار.

تستخدم الدائرة جهد البطارية غير المنظم (تقاطع D2 -R4) جنبًا إلى جنب مع جهد مرجعي دقيق للغاية يبلغ 2.5 فولت يتم إنشاؤه باستخدام الصمام الثنائي زينر D5.

نظرًا لأن منظم الشحن في حد ذاته يعمل بشكل مثالي مع تيار أقل من 2 مللي أمبير ، فإن البطارية بالكاد يتم تحميلها أثناء الليل أو عندما تكون السماء غائمة.

يتم تحقيق الحد الأدنى من استهلاك التيار بواسطة الدائرة باستخدام وحدات MOSFETs من النوع BUZ11 و T2 و T3 ، والتي يعتمد تبديلها على الجهد ، وهذا يسمح لها بالعمل بقدرة محرك صفرية تقريبًا.

التحكم في الشحن الشمسي المقترح لبطارية 100 آه يراقب البطارية الجهد وينظم مستوى التوصيل للترانزستور T1.

كلما زاد جهد البطارية ، زاد التيار المار عبر T1. نتيجة لذلك ، يصبح انخفاض الجهد حول R19 أعلى.

يصبح هذا الجهد عبر R19 هو جهد تبديل البوابة لـ MOSFET T2 ، مما يؤدي إلى تبديل MOSFET بقوة أكبر ، مما يؤدي إلى إسقاط مقاومة التصريف إلى المصدر.

ونتيجة لذلك ، يتم تحميل الألواح الشمسية بشكل أكبر مما يؤدي إلى تبديد التيار الزائد عبر R13 و T2.

يعمل الصمام الثنائي Schottky D7 على حماية البطارية من الانعكاس العرضي للأطراف + و- للوحة الشمسية.

بالإضافة إلى ذلك ، يوقف هذا الصمام الثنائي تدفق التيار من البطارية إلى اللوحة الشمسية في حالة انخفاض جهد اللوحة تحت جهد البطارية.

كيف يعمل المنظم

يمكن رؤية مخطط الدائرة لمنظم الشاحن الشمسي 100 أمبير في الشكل أعلاه.

العناصر الأساسية للدائرة هي زوجان من MOSFETs 'الثقيلة' و 4 op amp IC.

يمكن تقسيم وظيفة IC إلى 3 أقسام: منظم الجهد المبني حول IC1a ، وحدة التحكم في التفريغ الزائد للبطارية التي تم تكوينها حول IC1d والإلكتروني حماية ماس كهربائى سلكي حول IC1c.

يعمل IC1 مثل عنصر التحكم الرئيسي ، بينما يعمل T2 كمقاوم طاقة قابل للتكيف. يتصرف T2 مع R13 مثل الحمل النشط عند خرج اللوحة الشمسية. عمل المنظم بسيط نوعًا ما.

يتم تطبيق جزء متغير من جهد البطارية على المدخلات غير المقلوبة للتحكم في المرجع IC1a من خلال مقسم الجهد R4-P1-R3. كما تمت مناقشته سابقًا ، يتم تطبيق الجهد المرجعي 2.5-V على الإدخال المقلوب لمضخم الصوت المرجع.

إجراءات العمل الخاصة بالتنظيم الشمسي خطية تمامًا. يتحقق IC1a من جهد البطارية ، وبمجرد وصوله إلى الشحن الكامل ، يقوم بتبديل T1 ، T2 ، مما يتسبب في تحويل الجهد الشمسي عبر R13.

هذا يضمن عدم تحميل البطارية أكثر من اللازم أو الشحن الزائد بواسطة الألواح الشمسية. يتم استخدام الجزأين IC1b و D3 للإشارة إلى حالة 'شحن البطارية'.

يضيء مؤشر LED عندما يصل جهد البطارية إلى 13.1 فولت ، وعندما تبدأ عملية شحن البطارية.

كيف تعمل مراحل الحماية

تم إعداد opamp IC1d كمقارن لمراقبة ملفات البطارية منخفضة مستوى الجهد ، وضمان الحماية ضد التفريغ العميق ، و MOSFET T3.

ينخفض ​​جهد البطارية في البداية نسبيًا إلى حوالي 1/4 من القيمة الاسمية بواسطة مقسم مقاوم R8 / R10 ، وبعد ذلك يتم مقارنته بجهد مرجعي يبلغ 23 فولت تم الحصول عليه عبر D5. يتم إجراء المقارنة بواسطة IC1c.

يتم اختيار مقاومات الحاجز المحتملة بحيث ينخفض ​​ناتج IC1d بمجرد انخفاض جهد البطارية عن القيمة التقريبية 9 فولت.

يقوم MOSFET T3 بعد ذلك بتثبيط وقطع الوصلة الأرضية عبر البطارية والحمل. نظرًا للتباطؤ الناتج عن مقاومة التغذية المرتدة R11 ، لا يغير المقارنة الحالة حتى يصل جهد البطارية إلى 12 فولت مرة أخرى.

يمنع مكثف التحليل الكهربائي C2 حماية التفريغ العميق من التفعيل عن طريق قطرات الجهد اللحظية بسبب ، على سبيل المثال ، تشغيل حمل ضخم.

تعمل حماية الدائرة القصيرة المضمنة في الدائرة مثل الصمامات الإلكترونية. عندما تحدث دائرة كهربائية قصيرة عن طريق الخطأ ، فإنها تقطع الحمل عن البطارية.

يتم تنفيذ نفس الشيء أيضًا من خلال T3 ، والذي يوضح الوظيفة المزدوجة الحاسمة لـ MOSFET T13. لا يعمل MOSFET فقط كقاطع دائرة كهربائية قصيرة ، بل إن وصلة التصريف إلى المصدر تلعب دورها أيضًا كمقاوم للحوسبة.

يتم تقليص انخفاض الجهد الناتج عبر هذا المقاوم بمقدار R12 / R18 ثم يتم تطبيقه لاحقًا على الإدخال المقلوب للمقارن IC1c.

هنا ، أيضًا ، يتم استخدام الجهد الدقيق الذي يوفره D5 كمرجع. وطالما ظلت حماية الدائرة القصيرة غير نشطة ، يستمر IC1c في توفير مخرجات منطقية 'عالية'.

يحظر هذا الإجراء التوصيل D4 ، بحيث يقرر خرج IC1d فقط إمكانات البوابة T3. يتم تحقيق نطاق جهد البوابة من حوالي 4 فولت إلى 6 فولت بمساعدة مقسم مقاوم R14 / R15 ، مما يتيح إنشاء انخفاض واضح للجهد فوق تقاطع التصريف إلى المصدر في T3.

بمجرد وصول تيار الحمل إلى أعلى مستوى له ، يرتفع انخفاض الجهد بسرعة حتى يصبح المستوى كافيًا لتبديل IC1c. هذا يتسبب الآن في أن يصبح ناتجها منخفضًا.

نتيجة لذلك ، يتم تنشيط الصمام الثنائي D4 الآن ، مما يسمح باختصار بوابة T3 على الأرض. نتيجة لهذا الآن يتم إيقاف تشغيل MOSFET ، مما يوقف التدفق الحالي. تقرر شبكة R / C R12 / C3 وقت تفاعل الصمام الإلكتروني.

يتم ضبط وقت رد فعل بطيء نسبيًا لتجنب التنشيط غير الصحيح لعملية الصمامات الإلكترونية بسبب ارتفاع التيار العارض في تيار الحمل.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام LED D6 كمرجع 1.6 فولت ، مع التأكد من أن C3 غير قادر على الشحن فوق مستوى الجهد هذا.

عند إزالة الدائرة القصيرة وفصل الحمل عن البطارية ، يتم تفريغ C3 تدريجيًا من خلال مؤشر LED (قد يستغرق ذلك ما يصل إلى 7 ثوانٍ). نظرًا لأن المصهر الإلكتروني مصمم باستجابة بطيئة بشكل معقول ، فهذا لا يعني أنه سيتم السماح لتيار الحمل بالوصول إلى مستويات مفرطة.

قبل أن يتم تنشيط المصهر الإلكتروني ، فإن جهد البوابة T3 يطالب MOSFET بتقييد تيار الخرج إلى النقطة المحددة من خلال إعداد P2 المحدد مسبقًا.

من أجل ضمان عدم حرق أي شيء أو بطاطس مقلية ، تتميز الدائرة بالإضافة إلى ذلك بفتيل قياسي ، F1 ، يتم توصيله في سلسلة مع البطارية ، ويوفر الطمأنينة بأن الانهيار المحتمل في الدائرة لن يؤدي إلى كارثة فورية.

كدرع دفاعي نهائي ، تم تضمين D2 في الدائرة. يحمي هذا الصمام الثنائي مدخلات IC1a و IC1b من التلف ، بسبب اتصال البطارية العكسي العرضي.

اختيار لوحة الطاقة الشمسية

يعتمد اتخاذ قرار بشأن الألواح الشمسية الأكثر ملاءمة ، بطبيعة الحال ، على تصنيف البطارية آه الذي تنوي العمل معه.

تم تصميم منظم الشحن بالطاقة الشمسية بشكل أساسي للألواح الشمسية بجهد خرج متوسط ​​من 15 إلى 18 فولت و 10 إلى 40 واط. عادة ما تصبح هذه الأنواع من الألواح مناسبة للبطاريات التي تتراوح بين 36 و 100 آه.

ومع ذلك ، نظرًا لأن منظم الشحن الشمسي محدد لتوفير سحب تيار أمثل قدره 10 أ ، فقد يتم تطبيق الألواح الشمسية المصنفة عند 150 واط.

يمكن أيضًا تطبيق دائرة منظم الشاحن الشمسي في طواحين الهواء ومع مصادر الجهد الأخرى ، بشرط أن يكون جهد الدخل في نطاق 15-18 فولت.

يتم تبديد معظم الحرارة من خلال الحمل النشط ، T2 / R13. وغني عن القول ، يجب تبريد MOSFET بشكل فعال من خلال غرفة التبريد ، ويجب تصنيف R13 بشكل مناسب لتحمل درجات الحرارة العالية للغاية.

يجب أن تتوافق القوة الكهربائية R13 مع تصنيف الألواح الشمسية. في السيناريو (المتطرف) عندما يتم توصيل لوحة شمسية بجهد خرج بدون حمل يبلغ 21 فولت ، وأيضًا تيار دائرة قصر قدره 10 أ ، في مثل هذا السيناريو يبدأ T2 و R13 في تبديد طاقة مكافئة للجهد الفرق بين البطارية واللوحة الشمسية (حوالي 7 فولت) مضروبًا بتيار الدائرة القصيرة (10 أ) ، أو ببساطة 70 واط!

قد يحدث هذا في الواقع بمجرد شحن البطارية بالكامل. يتم تحرير غالبية الطاقة من خلال R13 ، نظرًا لأن MOSFET يقدم بعد ذلك مقاومة منخفضة جدًا. يمكن تحديد قيمة المقاوم MOSFET R13 بسرعة من خلال قانون أوم التالي:

R13 = P x Iاثنين= 70 × 10اثنين= 0.7 أوم

ومع ذلك ، قد يبدو هذا النوع من إنتاج الألواح الشمسية المفرط غير عادي. في النموذج الأولي لمنظم الشحن الشمسي ، تم تطبيق مقاومة تبلغ 0.25 Ω / 40 وات تتكون من أربعة مقاومات متصلة متوازية من 1Ω / 10 وات. يتم حساب التبريد اللازم لـ T3 بنفس الطريقة.

لنفترض أن أعلى تيار خرج هو 10 أ (يقارن بانخفاض الجهد بمقدار 2.5 فولت تقريبًا فوق تقاطع مصدر التصريف) ، ثم يجب تقييم أقصى تبديد يبلغ حوالي 27 وات.

لضمان التبريد الكافي لـ T3 حتى في درجات حرارة الخلفية الزائدة (على سبيل المثال ، 50 درجة مئوية) ، يجب أن يستخدم المشتت الحراري مقاومة حرارية تبلغ 3.5 ك / وات أو أقل.

يتم ترتيب الأجزاء T2 و T3 و D7 في جانب واحد معين من ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، مما يسهل ربطها بسهولة بمبدد حراري واحد مشترك (مع مكونات عزل).

وبالتالي ، يجب تضمين تبديد هذه أشباه الموصلات الثلاثة ، ونحن في هذه الحالة نريد غرفة تبريد ذات مواصفات حرارية تبلغ 1.5 ك / وات أو أعلى. النوع الموضح في قائمة الأجزاء يتوافق مع هذا الشرط المسبق.

كيفيه التنصيب

لحسن الحظ ، من السهل جدًا إعداد دائرة منظم الطاقة الشمسية للبطارية 100 Ah. المهمة ، مع ذلك ، تتطلب اثنين من (منظم) مزودات الطاقة .

يتم ضبط أحدهما لجهد خرج يبلغ 14.1 فولت ، ويقترن بأسلاك البطارية (المعينة 'accu') على لوحة الدوائر المطبوعة. يجب أن يكون لمصدر الطاقة الثاني محدد حالي.

يتم ضبط هذا العرض وفقًا لجهد الدائرة المفتوحة للوحة الشمسية (على سبيل المثال 21 فولت ، كما في الحالة المذكورة سابقًا) ، ويقترن بأطراف الأشياء بأسمائها الحقيقية المعينة 'خلايا'.

عندما نضبط P1 بشكل مناسب ، يجب أن ينخفض ​​الجهد إلى 14.1 فولت. من فضلك لا تقلق بشأن هذا ، لأن المحدد الحالي و D7 يضمنان عدم تعرض أي شيء للتلف!

من أجل الضبط الفعال لـ P2 ، يجب أن تعمل مع حمل أعلى قليلاً من الحمل الثقيل الذي قد يحدث عند الإخراج. إذا كنت ترغب في استخراج الحد الأقصى من هذا التصميم ، فحاول اختيار تيار حمل 10 أ.

يمكن تحقيق ذلك باستخدام مقاوم حمل يبلغ 1 × 120 واط ، ويتكون من 10 مقاومات 10Ω / 10 وات على التوازي. يكون الإعداد المسبق P2 في البداية مغزلاً إلى 'الحد الأقصى' (باتجاه R14).

بعد ذلك ، يتم إرفاق الحمل بالخيوط المعينة 'تحميل' على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. قم بضبط P2 ببطء وحذر حتى تصل إلى المستوى الذي ينطفئ فيه T3 ويقطع الحمل. بعد إزالة مقاومات الحمل ، يمكن قص دارة 'الحمل' للحظات لاختبار عمل الصمامات الإلكترونية بشكل صحيح.

تخطيطات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

قائمة الاجزاء

المقاومات:
RI = 1 كيلو
R2 = 120 ألف
R3 ، R20 = 15 كيلو
R4 ، R15 ، R19 = 82 ألف
R5 = 12 كيلو
R6 = 2.2 كيلو
R7 ، R14 ، R18 ، R21 = 100 ألف
R8 ، R9 = 150 ألف
R10 = 47 كيلو
R11 = 270 ك
R12 ، R16 = 1M
R13 = انظر النص
R17 = 10 كيلو
P1 = 5 كيلو محدد مسبقًا
P2 = 50 كيلو مسبق الإعداد
المكثفات:
Cl = 100nF
C2 = 2.2 فائق التوهج / 25 فولت شعاعي
C3 = 10 فائق التوهج / 16 فولت
أشباه الموصلات:
D1 ، D2 ، D4 = 1N4148
D3،136 = LED أحمر
D5 = LM336Z-2.5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2 ، T3 = BUZ11
IC1 = TL074
متنوع:
F1 = فتيل 10 A (T) مع حامل تثبيت PCB
8 محطات بأسمائها الحقيقية لتركيب المسمار
المبدد الحراري 1.251VW




زوج من: دائرة مولد الموجي الجيبي جيب التمام التالي: 100 إلى 160 واط دائرة مضخم الطاقة باستخدام واحد IC OPA541