Принципиальная схема контроллера для солнечных батарей

Контроллер заряда для солнечной системы бесплатно

Дата публикации: 13 декабря 2013

Одним из важнейших компонентов солнечной системы является контроллер заряда. Он может поставляться отдельно либо в комплекте с инвертором. Как понятно из названия, это устройство предназначено для контроля заряда АКБ, то есть контроллеры заряда для солнечной батареи следят за уровнем напряжения на аккумуляторе и служат для предотвращения полного разряда или перезаряда батареи.

Век глобальной доступности, когда можно найти абсолютно любой товар и информацию, позволяет не только приобрести контроллеры в любом специализирующемся магазине, но и собрать его своими руками. Для этого Вам понадобится схема устройства, которое Вы планируете изготовить, в нашем случае – это контроллер зарядки, и умение разбираться в электронике. Попытаемся снабдить Вас и тем, и другим.

Контроллеры зарядки для СБ: краткое описание

Существует несколько разновидностей описываемого устройства. Самые простые из них выполняет лишь одну функцию: включает и выключает батареи в зависимости от их заряда. Более «продвинутые» модели снабжены функцией отслеживания точки максимального значения мощности, что обеспечивает более высокий выходной ток по сравнению с током солнечной батареи. А это, в свою очередь, повышает КПД всей установки в целом.

Более усовершенствованные модели – способны понижать напряжение на СБ и поддерживать его на требуемом уровне. Наличие данной функции способствует более полной зарядке АКБ.

Любой контроллер, в том числе и самодельный, должен отвечать определенным требованиям:

• 1,2P ≤ I×U, где P – суммарная мощность солнечных батарей всей системы; I – выходной ток контроллера; U – напряжение системы при разряженных аккумуляторах.
• 1,2Uвх = Uх.х, где Uвх – максимально допустимое входное напряжение, Uх.х – суммарное напряжение холостого хода всех солнечных батарей системы.

Если нет возможности купить…

Конечно, зачастую прибор, собранный своими руками, будет хуже, чем аналогичное устройство, произведенное на заводе. Но сегодня мало кому можно доверять. И дешевые контроллеры для солнечной батареи, поставляемые из Китая, также могли быть собраны в какой-нибудь подсобке. Так зачем покупать устройство, в качестве которого Вы не уверены, если есть возможность соорудить его дома.

На рисунке 1 приведена простейшая схема, воспользовавшись которой Вы сможете своими руками собрать контроллер, пригодный для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора 12 В с помощью маломощной СБ с током в несколько ампер. Изменив номиналы используемых элементов, Вы сможете адаптировать собранный прибор под АКБ с другими техническими характеристиками. Следует отметить, что данная схема предполагает использование вместо защитного диода полевого транзистора, управляемого компаратором.

Видео Вам в помощь:

Принцип работы достаточно прост: когда напряжение на АКБ достигнет заданного значения, контроллер остановит зарядку, в случае его снижения ниже порогового значения, зарядка будет вновь включена. При напряжении меньше 11 В нагрузка будет отключаться, а при напряжении больше 12,5 В, наоборот, подключаться к аккумулятору. Этот небольшой прибор спасет Ваш аккумулятор от самопроизвольного разряда в отсутствие солнца. На рисунке 2 представлен уже собранный комплект, состоящий из двух аккумуляторов, DC/DC-конверторов и индикации.

Контроллеры заряда солнечной батареи, собранные своими руками по более сложным схемам, смогут гарантировать Вам надежную и стабильную работу. Поэтому, если Вы чувствуете в себе силы, то ниже представлена еще одна схема. Она состоит из большего числа компонентов, зато и функционирует без «глюков» (рисунок 3).

Самодельный контроллер, собранный по данной схеме, подойдет для системы энергообеспечения, работающей, как от СБ, так и от ветрогенератора. Сигнал, который приходит от используемого источника альтернативной энергии, коммутируется реле, которое в свою очередь управляется полевым транзисторным ключом. Для регулировки порогов переключения режимов используются подстроечные резисторы.

Не бойтесь экспериментировать, ведь у самых лучших умов человечества тоже случались ошибки и падения, поэтому, если с первого раза Вам не удалось собрать своими руками надежный контроллер, не отчаивайтесь. Попробуйте еще раз, и, возможно, со второго раза у Вас все получится. Зато Вас будет «греть» само осознание того, что Вы сделали его сами.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Как доработать устройство для контроля заряда:

Источник

Солнечный контроллер

Приведена схема эффективного 12В зарядного устройства (солнечного контроллера), с защитой аккумуляторов от пониженного напряжения.

Характеристики устройства

Низкое потребление мощности в режиме простоя
Схема была разработана для небольших и средних свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и потребляет маленький ток (5 мА) в режиме простоя. Это увеличивает продолжительность жизни аккумуляторных батарей.

Легкодоступные компоненты
В устройстве используются обычные компоненты (не SMD), которые легко можно найти в магазинах. Ничего не требуется прошивать, единственное нужен будет вольтметр и регулируемый источник питания для настройки схемы.

Последняя версия устройства
Это уже третья версия устройства, поэтому в нем исправлены большинство ошибок и недочетов, которые присутствовали в предыдущих версиях зарядника.

Регулировка напряжения
В приборе используется параллельный стабилизатор напряжения, чтобы напряжение аккумулятора не превышало норму, обычно это 13.8 Вольт.

Защита от пониженного напряжения
Контроллер отсоединяет аккумуляторную батарею, если напряжение падает ниже определенной точки (настраивается), обычно это 10.5 Вольт

В большинстве солнечных зарядных устройствах для защиты от утечки тока аккумулятора на солнечную панель, используется диод Шоттки. А шунтирующий стабилизатор напряжения используется когда аккумулятор полностью заряжен.
Одной из проблем такого подхода являются потери на диоде и как следствие его нагрев. К примеру, солнечная панель 100 Ватт, 12В, подает 8А на аккумуляторную батарею, на диоде Шоттки падение напряжение составит 0.4В, т.е. рассеиваемая мощность составит около 3.2 Ватта. Это во первых потери, а во вторых для диода понадобится радиатор для отвода тепла. Проблема в том, что уменьшить падение напряжения не получится, несколько диодов включенных параллельно, уменьшат ток, но падение напряжения такое и останется. В представленной ниже схеме, вместо обычных диодов используются мосфеты, следовательно мощность теряется только на активное сопротивление (резистивные потери).
Для сравнения, в 100 Вт панели при использовании мосфетов IRFZ48 (КП741А) потери мощности составляют всего 0.5Ватта (на Q2). А это значит меньший нагрев и больше энергии для аккумуляторов. Еще важным моментов является то, что мосфеты имеют положительный температурный коэффициент и могут быть включены в параллель для уменьшения сопротивления в включенном состоянии.

В приведенной выше схеме используется пара нестандартных решений.

Зарядка

Между солнечной панелью и нагрузкой не используется диод, вместо него стоит мосфет Q2. Диод в мосфете обеспечивает протекание тока от панели к нагрузке. Если на Q2 появляется значительное напряжение, то транзистор Q3 открывается, заряжается конденсатор С4, что заставляет ОУ U2c и U3b открыть мосфет Q2. Теперь, падение напряжения вычисляется по закону Ома, т.е. I*R, и оно намного меньше, чем если бы там стоял диод. Конденсатор С4 периодически разряжается через резистор R7, и Q2 закрывается. Если от панели протекает ток, то ЭДС самоиндукции дросселя L1 сразу же заставляет открыться Q3. Это происходит очень часто (множество раз за секунду). В случае, когда ток идет на солнечную панель, Q2 закрывается, а Q3 не открывается, т.к. диод D2 ограничивает ЭДС самоиндукции дросселя L1. Диод D2 может быть рассчитан на ток 1А, однако в процессе тестирования выяснилось, что такой ток возникает редко.

Подстроечник VR1 устанавливает максимальное напряжение. Когда напряжение превышает 13.8В, то операционный усилитель U2d открывает мосфет Q1 и выход с панели «закорачивается» на землю. Помимо этого, операционник U3b отключает Q2 и т.о. панель отключается от нагрузки. Это необходимо, поскольку Q1 помимо солнечной панели «коротит» нагрузку и аккумулятор.

Управление N-канальными мосфетами

Для управления мосфетами Q2 и Q4 требуется большее напряжение, чем используемое в схеме. Для этого, ОУ U2 с обвязкой из диодов и конденсаторов создает повышенное напряжение VH. Это напряжение используется для питания U3, на выходе которого будет повышенное напряжение. Связка U2b и D10 обеспечивают стабильность выходного напряжения на уровне 24 Вольт. При таком напряжении, через затвор-исток транзистора будет напряжение не меньше 10В, поэтому тепловыделение будет маленькое.
Обычно, N-канальные мосфеты имеют намного меньшее сопротивление, чем Р-канальные, поэтому они и были использованы в данной схеме.

Защита от пониженного напряжения

Мосфет Q4, операционник U3a с внешней обвязкой из резисторов и конденсаторов, предназначены для защиты от пониженного напряжения. Здесь Q4 используется нестандартною. Диод мосфета обеспечивает постоянное прохождение тока в аккумулятор. Когда напряжение выше установленного минимума, то мосфет открыт, допуская небольшое падение напряжения при зарядке аккумулятора, но более важным является то, что он дает возможность прохождения тока от аккумулятора на нагрузку, если солнечная батарея не может обеспечить достаточную выходную мощность. Предохранитель защищает от возникновения короткого замыкания на стороне нагрузки.

Ниже представлены рисунки расположения элементов и печатных плат.

Настройка устройства

При нормальной использовании устройства, джампер J1 не должен быть вставлен! Светодиод D11 используется для настройки. Для настройки устройства, к выводам «нагрузка» подключите регулируемый блок питания.

Установка защиты от пониженного напряжения
Вставьте джампер J1.
В блоке питание установите выходное напряжение на 10.5В.
Вращайте подстроечный резистор VR2 против часовой стрелки до тех пор, пока не загорится светодиод D11.
Немного поверните VR2 по часовой стрелке, пока светодиод не погаснет.
Выньте джампер J1.

Установка максимального напряжения
В блоке питание установите выходное напряжение на 13.8В.
Вращайте подстроечный резистор VR1 по часовой стрелке до тех пор, пока не погаснет светодиод D9.
Медленно поверните VR1 против часовой стрелки, пока светодиод D9 не загорится.

Контроллер настроен. Не забудьте вынуть джампер J1!

Если мощность всей системы будет небольшая, то мосфеты могут быть заменены на более дешевые IRFZ34. А если система будет мощнее, то мосфеты можно заменить на более мощные IRFZ48.

Источник

Простой контроллер заряда для солнечной панели

Texas Instruments LM393 TL431

Олег Дмитриевич Левашов, Москва-Вена-Брешия

Аннотация

Вниманию читателей предлагается контроллер заряда фотоэлектрических систем при токе заряда до 8 А и напряжении аккумуляторов 12 В. Контроллер оптимизирует процесс заряда, не допуская перезаряда аккумуляторов в широком диапазоне освещенности и температуры панели. Контроллер содержит доступные компоненты общей стоимостью менее 3 долларов (менее 200 рублей). Несколько устройств в течение 6 месяцев эксплуатируются с панелями, имеющими максимальную мощность от 40 до 100 ватт.

Вступление

Несмотря на привлекательность идеи солнечной энергетики, ее реальное внедрение в энергоснабжение сельских и дачных домов условно рентабельно только на широтах Краснодарского края и южнее. Тем не менее, энтузиасты приобретают солнечные панели с максимальной мощностью от 40 до 100 ватт и пробуют использовать системы на их основе в качестве резервного источника питания для аварийного освещения и компьютерной техники. Как правило, эти люди обладают руками, растущими из правильного места, и знают практическую электронику. Им и адресуется эта статья.

Описание схемы устройства

Известно, что для эффективного отбора мощности контроллер должен отслеживать точку максимальной мощности солнечной панели, то есть точку, в которой и напряжение и ток, отдаваемые панелью, максимальны. Универсальные промышленные контроллеры, отслеживающие положение рабочей точки и рассчитанные на широкий диапазон мощностей солнечных панелей, собранных в батареи, достаточно дороги и избыточны в случае эксплуатации одиночной панели.

Точка максимальной мощности и температурный диапазон эксплуатации указываются в паспортных данных качественных панелей.

При проектировании предлагаемого контроллера реализованы обе основных задачи эксплуатации – непрерывное поддержание батареи в точке максимальной мощности и температурная коррекция положения рабочей точки.

Блок-схема контроллера представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением R_ВН.

Рисунок 1.	Блок-схема контроллера солнечной панели.

При отсутствии внешнего освещения R_ВН стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности R_ВН стремится нулю, а ток к максимальному, технически допустимому значению.

Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии (при отсутствии освещения) конденсатор С1 разряжен, на выходе компаратора U1 присутствует «1», ключ S1 разомкнут. U_OП равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.

При росте освещенности конденсатор С1 начинает заряжаться через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, на выходе компаратора появляется «0», замыкающий ключ S1.

Конденсатор С1 разряжается через S1 на нагрузку R_Н, после чего процесс повторяется.

Чем выше освещённость, тем чаще повторяется описанный выше процесс.

По сути, мы имеем релаксационный генератор – преобразователь освещенности в частоту.

В практической схеме частота следования импульсов тока составляет единицы герц на рассвете и в сумерки, до десятков килогерц при максимальной освещенности, что обеспечивает широкий динамический диапазон работоспособности контроллера.

Принципиальная схема контроллера представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Принципиальная схема контроллера солнечной панели.

Поскольку ранее мы подробно разобрали алгоритм работы контроллера, то остановимся только на нескольких моментах.

• Схема гарантированно работоспособна с 12-вольтовыми солнечными панелями мощностью от 40 Вт до 100 Вт, имеющими напряжение холостого хода не более 22 В, номинальное напряжение, соответствующее точке максимальной мощности 17-18 В, и номинальный ток 2…8 А.
• Компаратор U1-2 срабатывает при напряжении на аккумуляторной батарее выше 14.4 вольт, принудительно ограничивая длительность импульсов зарядного тока, что предотвращает перезаряд аккумулятора.
• Питание компаратора и источника опорного напряжения производится с выхода устройства, что гарантирует автоматическое отключение контроллера при отключении аккумулятора.

Настройка схемы

Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1-2.

Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.

Операции настойки выполняются в следующей последовательности:

1. Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 А·ч от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
2. Проверьте наличие опорного напряжения 8 В.
3. Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
4. Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выхода компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, например 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер, на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний.
5. Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке Q3 близка к показанной на Рисунке 3.
6. Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы.
7. Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.

Рисунок 3.	Форма сигнала на стоке MOSFET Q3.

На этом настройка может считаться законченной.

Конструктивные особенности

При максимальном токе более 3 А для транзистора Q3 желателен радиатор. Разумеется, полевой транзистор сохранит работоспособность без заметного ухудшения характеристик при температурах до 100 градусов, но если вы хотите получить надежно работающий прибор, радиатор необходим.

В качестве дросселя L1 использован дроссель режекторного фильтра от блока питания компьютера. Обмотки дросселя соединены последовательно. При токах более 5 А дроссель может нагреваться до 60 градусов, но это не влияет на надежность устройства.

К вопросу о линеаризации характеристики термистора

В процессе разработки схемы контроллера были исследованы различные варианты управления положением рабочей точкой контроллера при помощи измерения температуры панели. В одной из моделей использовалась более сложная схема термокомпенсации, основанная на суммирующем ОУ для сложения опорного напряжения с выходным напряжением температурного датчика на термисторе. Это решение не применяется в описываемом контроллере, но автор считает полезным упомянуть его в рамках данной статьи.

Рисунок 4.	Схема линеаризации датчика температуры.

Наилучшая линеаризация выходного сигнала датчика получается при включении термистора по схеме, приведенной на Рисунке 4. Динамический диапазон изменения выходного сигнала сужается, чувствительность термистора при этом существенно не ухудшается, оставаясь постоянной в широком диапазоне температур.

Рисунок 5.	График зависимости выходного напряжения датчика от температуры.

В Таблице 1 и на Рисунке 5 приведены результаты компьютерного моделирования термисторного датчика температуры. Как мы можем видеть, в рабочем диапазоне температур выходной сигнал практически линеен.

Таблица 1.	Зависимость выходного напряжения датчика от температуры при Rt = 10 кОм
T [°C] Rt [кОм] Re=Rt||10k [кОм] UВЫХ [В] 70 1.68 1.44 1.26 60 2.3 1.87 1.58 50 3.32 2.49 1.99 40 5 3.33 2.50 30 7.8 4.38 3.05 20 12.3 5.52 3.56 10 19.9 6.66 4.00 0 32 7.62 4.32

Внешний вид и конструкция контроллера показаны на Рисунке 6.

Источник