AVT5598 – 12V solárna nabíjačka

Fotovoltické moduly sú čoraz lacnejšie, a preto sú čoraz obľúbenejšie. S úspechom sa dajú použiť na nabíjanie batérií napríklad vo vidieckom dome alebo elektronickej meteostanici. Opísané zariadenie je regulátor nabíjania prispôsobený na prácu so vstupným napätím, ktoré sa mení vo veľmi širokom rozsahu. Môže byť užitočný na mieste, v kempingu alebo kempingu.

1. Schéma solárnej nabíjačky

Systém slúži na nabíjanie oloveného akumulátora (napríklad gélového) vo vyrovnávacom režime, t.j. po dosiahnutí nastaveného napätia začne nabíjací prúd klesať. Vďaka tomu je batéria vždy v pohotovostnom režime. Napájacie napätie nabíjačky sa môže meniť v rozmedzí 4 ... 25 V.

Možnosť využitia silného aj slabého slnečného žiarenia výrazne zvyšuje čas nabíjania za deň. Nabíjací prúd je vysoko závislý od vstupného napätia, ale toto riešenie má výhody oproti jednoduchému obmedzeniu nadmerného napätia zo solárneho modulu.

Obvod nabíjačky je znázornený na obr. 1. Zdroj jednosmerného prúdu je konvertor topológie SEPIC založený na lacnom a známom systéme MC34063A. Funguje v typickej úlohe kľúča. Ak je napätie dodávané do komparátora (pin 5) príliš nízke, zabudovaný tranzistorový spínač začne pracovať s konštantnou náplňou a frekvenciou. Prevádzka sa zastaví, ak toto napätie prekročí referenčné napätie (zvyčajne 1,25 V).

Konvertory topológie SEPIC, schopné zvyšovať aj znižovať výstupné napätie, oveľa častejšie využívajú ovládače, ktoré dokážu meniť výplň kľúčovacieho signálu. Použitie MC34063A v tejto úlohe je zriedkavé riešenie, ale - ako sa ukázalo pri testovaní prototypu - pre túto aplikáciu postačujúce. Ďalším kritériom bola cena, ktorá je v prípade MC34063A výrazne nižšia ako u PWM regulátorov.

Dva paralelne zapojené kondenzátory C1 a C2 sa používajú na zníženie vnútorného odporu napájacieho zdroja, akým je napríklad fotovoltaický modul. Paralelné zapojenie znižuje výsledné parazitné parametre ako odpor a indukčnosť. Rezistor R1 sa používa na obmedzenie prúdu tohto procesu na približne 0,44 A. Vyšší prúd môže spôsobiť prehriatie integrovaného obvodu. Kondenzátor C3 nastavuje pracovnú frekvenciu približne 80 kHz.

Tlmivky L1 a L2 a výsledná kapacita kondenzátorov C4-C6 sú zvolené tak, aby menič mohol pracovať vo veľmi širokom rozsahu napätia. Paralelné zapojenie kondenzátorov malo znížiť výsledné ESR a ESL.

Dióda LED1 slúži na testovanie funkčnosti regulátora. Ak áno, potom sa premenná zložka napätia ukladá na cievke L2, čo je možné pozorovať podľa žiaru tejto diódy. Zapína sa stlačením tlačidla S1, aby stále nezmyselne nesvietil. Rezistor R3 obmedzuje svoj prúd na približne 2 mA a D1 chráni LED diódu pred poruchou spôsobenou nadmerným vypínacím napätím. Pre lepšiu stabilitu meniča pri nízkej spotrebe prúdu a nízkom napätí je pridaný rezistor R4. Absorbuje časť energie, ktorú cievka L2 dodáva záťaži. Ovplyvňuje účinnosť, ale je malá - efektívna hodnota prúdu, ktorý ňou prechádza, je len niekoľko miliampérov.

Kondenzátory C8 a C9 vyhladzujú zvlnenie prúdu dodávaného cez diódu D2. Odporový delič R5-R7 nastavuje výstupné napätie na približne 13,5V, čo je správne napätie na svorkách 12V gélovej batérie počas prevádzky vyrovnávacej pamäte. Toto napätie by sa malo mierne meniť s teplotou, ale táto skutočnosť bola vynechaná, aby bol systém jednoduchý. Tento odporový delič zaťažuje pripojenú batériu stále, preto by mala mať čo najvyšší odpor.

Kondenzátor C7 znižuje zvlnenie napätia pozorované komparátorom a spomaľuje odozvu spätnoväzbovej slučky. Bez neho môže pri odpojení batérie výstupné napätie prekročiť bezpečnú hodnotu pre elektrolytické kondenzátory, teda uniknúť. Pridanie tohto kondenzátora spôsobí, že systém z času na čas prestane prepínať kľúč.

Nabíjačka je osadená na jednostrannom plošnom spoji s rozmermi 89 × 27 mm, ktorého montážna schéma je na obr. obrázok 2. Všetky prvky sú v puzdrách s priechodnými otvormi, čo je veľkou pomôckou aj pre ľudí, ktorí s spájkovačkou nemajú veľké skúsenosti. Odporúčam nepoužívať IC zásuvku, pretože to zvýši odpor pripojení k spínaciemu tranzistoru.

2. Schéma inštalácie solárnej nabíjačky

Správne zmontované zariadenie je ihneď pripravené na prevádzku a nevyžaduje žiadne uvedenie do prevádzky. V rámci ovládania môžete na jeho vstup priviesť konštantné napätie a nastaviť ho v danom rozsahu 4 ... 20 V, pričom budete sledovať hodnoty voltmetra pripojeného k výstupu. Mal by meniť pílový zub v rozsahu približne 18 ... 13,5 V. Prvá hodnota súvisí s nabíjaním kondenzátorov a nie je kritická, ale pri 13,5 V by menič mal opäť fungovať.

Nabíjací prúd závisí od aktuálnej hodnoty vstupného napätia, keďže vstupný prúd je obmedzený na približne 0,44 A. Merania ukázali, že nabíjací prúd batérie sa pohybuje od približne 50 mA (4 V) do približne 0,6 AA pri napätí 20 V. Túto hodnotu môžete znížiť zvýšením odporu R1, čo sa niekedy odporúča pri batériách s malou kapacitou (2 Ah).

Nabíjačka je prispôsobená na prácu s fotovoltaickým modulom s menovitým napätím 12 V. Na jej výstupoch môžu byť napätia až 20 ... 22 V s nízkym prúdovým odberom, preto sú inštalované kondenzátory prispôsobené napätiu 25 V na vstupe meniča.Straty sú také vysoké, že sa batéria takmer nenabíja.

Aby ste naplno využili výhody nabíjačky, pripojte modul s výkonom 10 W alebo viac. Pri menšom výkone sa batéria bude tiež nabíjať, ale pomalšie.

Zoznam komponentov:

Rezistory:

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

Kondenzátory:

C1, C2, C8, C9: 220 μF/25 V

C3: 330 pF (keramika)

C4…C6: 2,2 μF/50 V (MKT R = 5 mm)

C7: 1µF/50V (monolit.)

Polovodiče:

D1: 1H4148

D2: 1H5819

LED1: 5 mm LED, napr. zelená

US1:MC34063A(DIP8)

ostatné:

J1, J2: ARK2/5mm konektor

L1, L2: Tlmivka 220uH (vertikálne)

S1: mikrospínač 6×6/13mm