Вопрос психологу 

Контроллер pwm солнечный принципиальная схема. Как создать дешевый и эффективный контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи. Гибридные контроллеры заряда

На этот раз я решил сделать автомат, который автоматически включает светодиодное освещение в садовой беседке. Поскольку поблизости нет розетки, а постоянное протягивание удлинителя достаточно утомительное занятие, я решил запитать светодиоды от аккумулятора с подзарядкой от солнечных элементов.

Ранее был описан очень похожий , который освещает стеклянную полку в шкафу. Используя этот драйвер, возникла бы проблема, поскольку для освещения беседки нам нужно больше света, чем для освещения стеклянной полки. Так же, применение более мощного источника света будет быстрее разряжать аккумулятор, который может выйти из строя в результате глубокой разрядки элементов в батарее.

Чтобы этого не допустить, я решил создать простой драйвер с защитой от слишком глубокого разряда батареи на основе . В свою очередь, солнечные элементы также служат в качестве датчика освещенности, что значительно упростило всю схему.

Печатная плата имеет размеры 40мм на 45мм. Кроме того, добавлены два монтажных отверстия. Все устройство питается от трех Ni-MH аккумуляторов (1,2В/1000мАч). Для зарядки используется солнечная батарея с номинальным напряжением 5 вольт и максимальным выходным током до 80 мА. Солнечная батарея заряжает аккумуляторы через выпрямительный диод D1. Схема не имеет защиты от перезаряда батареи из-за того, что в такой конфигурации перезарядка просто невозможна.

Полностью заряженный аккумулятор должен иметь напряжение около 4,2-4,35 В Солнечная батарея вырабатывает напряжение 5В, но происходит падение на выпрямительном диоде в районе 0,7 В, что дает нам напряжение 4,3 В. Транзистор Q1 отвечает за включение освещения в ночное время и отключение его днем. База этого транзистора подключена через резистор 2,2 кОм к положительному полюсу солнечной батареи.

Когда солнечная батарея не вырабатывает электроэнергию, или она слишком маленькая, транзистор Q1 заперт. Тогда ток с вывода («REF») стабилитрона TL431 будет течь только через резистор R4, который создает делитель напряжения вместе с резисторами R2 и R3. Транзистор Q2 управляет нагрузкой в виде светодиодов. Чтобы схема работала правильно, мы не можем игнорировать резистор R5, задачей которого является подтягивание базы транзистора Q2 к плюсу источника питания.

По расчетам для имеющегося напряжения выходит, что резистор должен иметь сопротивление 100 Ом. С таким сопротивлением схема переключается очень быстро. Но проблема состоит в том, что этот резистор имеет достаточно маленькое значение, и через него течет очень большой ток. Общий ток потребления составляет около 23 мА! Я решил этот резистор заменить на резистор большего значения. В итоге я поставил резистор номиналом 1 кОм. Теперь отключение нагрузки не такое быстрое, но ток потребления сократился до 8mA.

Конечно, текущее значения 8 мА потребляется только тогда, когда солнечная батарея находится в темном месте — то есть, только в ночное время, когда горят светодиоды. И это такой же максимальный ток (8 мА), который поступает от батареи при напряжении 4,2 В. Напряжение отключения нагрузки я поставил на 2,9 В. Предельное напряжение для одной ячейки 0,9 В, что при подключении последовательно трех дает нам 2,7 В, и следовательно, у нас есть еще в запасе 0,2 В.

Схема после отключения нагрузки (т.е. при 2,9 В и ниже), потребляет только 50 мкА. Такой же ток будет, когда солнечная батарея заряжает аккумуляторы. Устройство очень отзывчиво на свет, но не на столько, чтобы уличное освещение мешало бы определить сумерки. С момента обнаружения заката до включения светодиодов на 100% проходит примерно 2 мин.

Удалив из системы транзистор Q1, резистор R1 и выпрямительный диод D1 получаем простую схему защиты аккумулятора от глубокого разряда. Подобная схема может использоваться для отключения Li-Ion или Li-Pol аккумулятора от зарядки. Ее можно использовать, например, в фонарике. Существует также возможность создания подобной защиты и на другие напряжения, для этого нужно рассчитать делитель напряжения. Формулы и пример расчета есть

Контроллер очень прост и состоит всего из четырех деталей.

Это мощный транзистор (я использую IRFZ44N выдерживает ток до 49Ампер).

Автомобильное реле-регулятор с управлением по плюсу (ВАЗ "классика").

Резистор120кОм.

Диод по мощнее, чтобы держал ток отдаваемый солнечной панелью (к примеру из автомобильного диодного моста).

Принцип работы тоже очень простой. Пишу для совсем не понимающих в электронике людей, так-как сам в ней ничего не понимаю.

Реле регулятор подключается к АКБ, минус на алюминиевую основу (31к), плюс на (15к), с контакта (68к) провод через резистор подсоединяется к затвору транзистора. У транзистора три лапки, первая это затвор, вторая сток, третья исток. Минус солнечной панели подключается к истоку, а плюс к АКБ, со стока транзистора минус солнечной панели идет на АКБ.

Когда реле-регулятор подключен и работает, то плюсовой сигнал с (68к) отпирает затвор и ток с солнечной панели течет через исток-сток в АКБ, а когда напряжение на АКБ превысит 14 вольт, реле-регулятор отключает плюс и затвор транзистора разряжаясь через резистор на минус закрывается тем самым разрывает минусовой контакт солнечной панели, и она отключается. А когда напряжение немного упадет реле-регулятор снова подаст плюс на затвор, транзистор откроется и снова ток от панели потечет в аккумулятор. Диод на плюсовом проводе СБ нужен чтобы ночью аккумулятор не разряжался, так-как без света солнечная панель сама потребляет электроэнергию.

Ниже наглядный рисунок соединения элементов контроллера.

Я не силен в электронике и может в моей схеме есть какие-то недочеты, но она работает без всяких настроек и работает сразу, и делает то что делают заводские контроллеры для солнечных панелей, а себестоимость всего порядка 200 рублей и час работы.

Ниже не совсем понятная фотография этого контроллера, вот так грубо и неряшливо просто на корпусе ящика закреплены все детали контроллера. Транзистор немного греется и я его закрепил на маленький вентилятор. Параллельно резистору поставил маленький светодиод, который показывает работу контроллера. Когда горит СБ подключена, когда нет значит аккумулятор заряжен, а когда быстро мигает аккумулятор почти заряжен и просто подзаряжается.


Этот контроллер работает уже более полугода и за это время никаких проблем, подключил и все, теперь не слежу за АКБ, все само работает. Это мой второй контроллер, первый я собирал для ветрогенераторов как балластный регулятор, о нем смотрите в предыдущих статьях в разделе мои самоделки.

Внимание - контроллер оказывается не полностью рабочий. После некоторого времени работы вяснилось что транзистор в данной схеме не полностью закрывается, и в аккумулятор все равно продалжает течь ток даже при привышении 14 вольт

Извиняюсь за нерабочую схему, сам долго пользовался и думал что все работает, а оказывается нет, и даже после полной зарядки в аккумулятор все равно идет ток. Транзистор закрывается только на половину при достижении 14 вольт. Схему пока убирать не буду, как время и желание появятся доделаю я этот контроллер и выложу рабочую схему.

А сейчас у меня в качестве контроллера балластный регулятор стоит, который отлично работает уже продрлжительное время. Как только напряжение переваливает за 14 вольт транзистор открывается и включает лампочку, которая сжигает все излишки энергии. Одновременно сейчас две солнечные панели и ветрогенератор на этом балласте.

Данный контроллер заряда солнечной батареи предназначен для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора от солнечной панели. Эта схема подходит для солнечных батарей мощностью от 15 ватт и содержит световой индикатор процесса работы контроллера.

Солнечная батарея представляет собой непрерывный источник напряжения, которое поступает на вход контроллера, к выходу же контроллера подключается аккумулятор. В результате этого не происходит перезаряда аккумуляторной батареи и соответственно продлевается срок ее службы.

Описание работы контроллера заряда солнечной батареи

Напряжение от солнечной батареи сначала проходит через диод D6 (желательно диод Шоттки), который препятствует разрядку аккумулятора обратно через панель, когда солнце не светит. После диода D6 идет классической линейный регулятор на основе LM317. Выходное напряжение регулятора определяется соотношением сопротивлений резисторов R20 и R1.

Напряжение на выходе должно быть в районе 13,6…13,8 вольт. Точное значение можно выставить подбором сопротивления R19, значение которого определяется опытным путем. Конкретно в данном случае его сопротивление (R19) равнялось 390K, так что это значение можно взять за отправную точку.

Диод D5 является защитным. После стабилизатора LM317 следует цепь световой индикации состоящей из трех светодиодов (D2, D3, D4). Свечение светодиода D2 указывает на то, что аккумулятор полностью заряжен (напряжение 13 вольт).

Светодиод D3 используется для указания напряжение на солнечной батареи (15,5 вольт). Последний светодиод D4 указывает на процесс заряда аккумулятора. Для срабатывания индикации выбрано пороговое значение 50 мА.

Для работы светодиода D3 применен компаратор на операционном усилителе LM339, который сравнивает напряжение с выхода солнечной панели с опорным напряжением, полученным с помощью стабилитрона D1. Для экономии энергии аккумулятора светодиоды питаются непосредственно от солнечной панели через стабилизатор 78L12.

Настройка контроллера заряда аккумулятора солнечной батареи

После монтажа деталей и проверке на ошибки, на вход (вместо солнечной панели) необходимо подключить регулируемый блок питания и подать сначала напряжение 17…20 вольт. Изменяя сопротивление резистора R19 необходимо установить выходное напряжения стабилизатора в районе 13,6…13,8 вольт. После этого входное напряжение от блока питания необходимо выбрать около 13,1 вольт и подстроечным резистором R18 добиться, чтобы загорелся светодиод D2. При снижении напряжения блока питания ниже 13 вольт светодиод D2 должен погаснуть.

Далее устанавливаем входное напряжение 15,5 вольт и, вращая подстроичник R4 добиваемся, чтобы загорелся светодиод D3. Для настройки индикации зарядки понадобится аккумулятор. Подключите его к контроллеру через амперметр, а напряжение на блоке питания выставите такое, чтобы аккумулятор заряжался током около 50мА. После этого выставьте резистор R14 так, чтобы загорелся D4. При снижении тока ниже 40мА светодиод D4 должен погаснуть. Собственное потребление контроллера (от аккумулятора) составляет около 9-10мА, что при использовании свинцово-кислотного аккумулятора незначительно.

http://www.pctun.czechian.net/solarko/solarko.html

В системах электростанций, работающих на солнечных батареях, для подачи полученной энергии на используют всевозможные схемы подключения, которые выполнены на разных алгоритмах на основе технологии микропроцессорной электроники. На основе таких схем созданы устройства, которые называются контроллеры для солнечных батарей.

Принцип действия

Существует несколько методов передачи электроэнергии от солнечных элементов к аккумуляторной батареи:
  • Без применения приборов коммутации и регулировки, напрямую.
  • Через контроллеры для

Первый способ обуславливает прохождение электрического тока от источника на аккумуляторы для повышения их напряжения. Сначала напряжение повысится до предельного определенного значения, которое зависит от типа и разновидности конструкции аккумуляторной батареи и температуры внешней обстановки. Далее превысит этот уровень.

В начальный период зарядка аккумуляторов идет в норме. Далее начинаются процессы, характеризующиеся отрицательными моментами: зарядный ток продолжает поступать, вызывает увеличение напряжения выше допустимой величины, наступает перезаряд, и как следствие, повышается температура электролита. Это приводит его к закипанию и выбросу водяного пара со значительной интенсивностью из отдельных элементов батареи. Такой процесс может продолжаться до момента высыхания банок. Понятно, что ресурс батареи аккумуляторов от этого явления не возрастает.

Чтобы ограничить ток заряда, пользуются специальными устройствами – контроллерами заряда, или делают это вручную. Последним способом практически никто не пользуется, так как это доставляет неудобство следить за величиной напряжения по приборам, делать переключения руками, требуется назначать для этого специального работника, чтобы он обслуживал контроллеры для солнечных батарей.

Порядок действий контроллера во время заряда
Контроллеры для солнечных батарей изготавливают различных модификаций по принципам и сложности метода ограничения напряжения:
  • Простое отключение и включение. Контроллер переключает зарядное устройство к аккумулятору в зависимости от значения напряжения на клеммах.
  • Преобразования .
  • Контроль наибольшей мощности.
Первый принцип простой коммутации

Это самый простой вид работы, однако он менее надежный. Основным недостатком метода является то, что при увеличении напряжения на клеммах батареи аккумуляторов до максимального значения, окончательного заряда не наступает. Заряд доходит до 90% от номинала. Аккумуляторы постоянно находятся в состоянии недозаряда. Это пагубно влияет на их срок службы.

Широтно-импульсный принцип

Такие приборы производятся на основе микросхем. Они управляют силовым блоком для поддержания напряжения на входе в определенном интервале сигналами обратной связи.

Контроллеры с широтно-импульсным управлением имеют возможности:
  • Измерять температуру электролита в батарее выносного или встроенного типа.
  • Образовывать компенсацию температуры напряжением заряда.
  • Подстраиваться под свойства конкретного типа аккумуляторов с разными значениями по графику напряжения.

Чем больше функций встроено в контроллеры для солнечных батарей, тем их надежность и стоимость выше.

График действия солнечной батареи

Ограничение напряжения по точке наибольшей мощности

Эти устройства тоже могут работать по широтно-импульсному способу. Их точность высока, так как идет учет максимального значения мощности, отдаваемой солнечной батареей. Значение мощности вычисляется и сохраняется.

Для гелиобатарей с напряжением 12 вольт максимальная мощность находится на 17,5 вольтах. Простой контроллер выключит заряд аккумулятора уже при 14 В, а контроллер со специальной технологией позволяет применять запас солнечных батарей до 17,5 вольт.

Чем сильнее разрядилась батарея, тем больше потери энергии от солнечных элементов, контроллеры для солнечных батарей снижают эти потери. В результате, контроллеры, применяя преобразования широтно-импульсного вида, на всех зарядных циклах повышают отдачу энергии солнечной батареей. Процент экономии может достигать до 30%, в зависимости от различных факторов. Выходной ток аккумулятора при этом будет выше входного.

Свойства

При осуществлении выбора типа контроллера нужно обращать внимание не только на принципы работы, но и на условия, предназначенные для его работы. Такими показателями устройств являются:

  • Величина напряжения входа.
  • Значение общей мощности солнечных элементов.
  • Вид нагрузки.
Напряжение

На схему контроллера может идти напряжение от нескольких батарей, которые соединены по-разному. Для правильного функционирования устройства нужно, чтобы общая величина напряжения вместе с холостым ходом не была больше предела, указанного изготовителем в инструкции.

Назовем некоторые факторы, благодаря которым необходимо делать 20% запас напряжения:
  • Нужно учесть фактор рекламного завышения данных контроллера.
  • Процессы, происходящие в фотоэлементах, нестабильны, при чрезмерных солнечных вспышках света энергия, которая создает напряжение холостой работы батареи, может быть превышена.
Мощность солнечной батареи

Эта величина важна в работе контроллера, так как устройство должно иметь достаточную мощность, чтобы передавать ее аккумуляторным батареям, если мощности не будет хватать, то схема прибора выйдет из строя.

Для вычисления мощности значение выходного тока из контроллера умножают на напряжение, которое выработано, не забывая про 20% резерв.

Вид нагрузки

Контроллер должен использоваться по своему назначению. Не нужно применять его как обычный источник напряжения, подключать к нему разные устройства бытового назначения. Может быть, некоторые из них будут нормально работать, и не выведут контроллер из строя.

Другой вопрос, сколько времени это будет продолжаться. Устройство работает на принципе преобразований широтно-импульсного типа, применяет технологии микропроцессорного производства. Эти технологии учитывают нагрузку, заложенную в свойствах аккумуляторной батареи, а не разного рода потребителях, имеющих своеобразные свойства поведения при изменении нагрузки.

Как сделать контроллер своими руками

Чтобы изготовить такое устройство, достаточно иметь некоторые знания электротехники и электроники. Самодельное устройство будет уступать промышленному образцу по наличию функций и эффективности, но для простых сетей с небольшой мощностью, такой самодельный контроллер вполне подойдет.

Самодельный контроллер должен иметь следующие параметры:
  • 1,2 P ≤ I × U. В данном выражении применяются обозначения общей мощности источников (Р), тока выхода контроллера (I), напряжения при разряженном аккумуляторе (U).
  • Наибольшее напряжение входа контроллера должно соответствовать общему напряжению аккумуляторов на холостом ходу без нагрузки.
Простая схема модуля самодельного контроллера:

Контроллеры для солнечных батарей, собранные самостоятельно, имеют свойства:
  • Напряжение заряда – 13,8 вольт, меняется от номинального тока.
  • Отключающее напряжение – 11 вольт, может настраиваться.
  • Включающее напряжение – 12,5 вольта.
  • Снижение напряжения на ключах – 20 милливольт при токе 0,5 А.

Контроллеры для солнечных батарей входят в состав любых гелиосистем, а также систем на солнечных батареях и ветряных генераторах. Они дают возможность создания нормального режима зарядки батарей аккумуляторов, увеличивают эффективность и снижают износ, могут собираться собственными силами.

Разбор схемы контроллера для гибридного питания

Для примера будем рассматривать источник аварийного освещения или охранной сигнализации, работающей в круглосуточном режиме.

Применение энергии солнечной батареи позволяет сократить расход электрической энергии от питающей центральной сети, а также защитить электроустройства от возможности веерного отключения питания.

В темное время, когда нет солнечного света, система переключается на сетевое питание 220 вольт. Запасным источником стала аккумуляторная батарея на 12 вольт. Эта система функционирует в любую погоду.

Схема простейшего контроллера

Фоторезистор осуществляет управление транзисторами Т1 и Т2.

Днем, когда есть солнечный свет, транзисторы закрываются. Напряжение 12 вольт подается на батарею аккумуляторов от панели через диод D2. Он не дает разряжаться аккумулятору через панель. При достаточном освещении панель выдает ток мощностью 15 ватт, 1 ампер.

Когда аккумуляторы получат полный заряд до 11,6 вольта, то стабилитрон открывается и включается красный светодиод (LED Red). При снижении напряжения на контактах аккумулятора до 11 вольт, красный светодиод отключается. Это обозначает, что батарея аккумуляторов требует зарядки. Резисторы R1 и R3 осуществляют ограничение тока светодиода и стабилитрона.

Ночью, или в темное время, когда нет света солнца, сопротивление фотоэлемента снижается, подключаются транзисторы Т1 и Т2. Аккумуляторная батарея получает заряд от блока питания. Ток заряда от линии питания 220 вольт через трансформатор, выпрямитель, резистор и транзисторы поступает на аккумуляторную батарею. Емкость С2 сглаживает пульсации напряжения сети.

Предел светового потока, при котором включается фотодатчик, настраивают переменным резистором.

В наше прогрессивное время, когда технологии постоянно совершенствуются, а производственные мощности постоянно увеличиваются, для простого самодельщика становятся все более доступными материалы и компоненты, о которых раньше приходилось только мечтать. Одними из таких компонентов являются солнечные фотоэлектрические элементы. Все большее число доморощенных Кулибиных создают свои из фотоэлектрических элементов купленных по приемлемой цене на Ebay, в Dealextreme или других местах.

Но как извесно, введение в эксплуатацию нового технического устройства, такого как солнечная батарея, провоцирует на создание устройства управления этим полезным девайсом. Если раньше для этого применялись простейшие схемы с ограничивающими диодами или релейные, то сейчас, разрабатываются все более прогрессивные устройства. С одним из таких устройств,контроллеров заряда для солнечной батареи, изготовление которого вполне по силам даже начинающим, мы и предлагаем ознакомиться. Суть работы всех контроллеров заряда (как заводских так и самодельных) заключается в следующем: нагрузкой солнечной батареи является чаще всего АКБ, которая накапливает полученную энергию Солнца, а для того чтобы соблюсти все параметры заряда аккумулятора,не допустить его перезаряда (и таким образом продлить срок его службы) и утилизировать ""лишнюю"" энергию. Итак, рассмотрим схему контроллера заряда для солнечной батареи.

Оно предназначено для зарядки герметичного кислотно-свинцового (гелевого) аккумулятора на 12V от маломощной солнечной панели, с током отдачи до нескольких ампер. Последовательный защитный диод, который раньше устанавливался для предотвращения разряда аккумуляторов в темное время суток, здесь заменен полевым транзистором, который в свою очередь управляется компаратором.

Более качественный рисунокпечатной находится в архиве. Контроллер останавливает заряд аккумулятора, когда напряжение на нем достигает заданного предела и переключает панель на дополнительный потребитель (нагрузку)для утилизации лишней энергии. Когда же напряжение на аккумуляторе опустится ниже заданного предела, контроллер переключает солнечную панель с нагрузки на заряд АКБ. Основные характеристики схемы:

Напряжение заряда Vbat=13,8V (настраивается), измеряется при наличии тока заряда;
-Отключение нагрузки происходит когда Vbat мене 11V (настраивается), включение нагрузки когда Vbat=12,5V;
-Температурная компенсация режима заряда;
-Экономичный компаратор TLC339 можно заменить на более распространенный TL393 или TL339;
-Падение напряжения на ключах менее 20mV при заряде током 0,5А.

Настраивать устройство на включение/отключение заряда лучше исходя из паспортных данных на применяемую батарею; зарядный ток ограничен только возможностями солнечной батареи - схема контроллера никак на него не влияет. Данное устройство эксплуатировалось автором в течении года. За это время никаких нареканий и нарушений в работе выявлено не было. На фото печатной платы устройства помимо разводки непосредственно под сам контроллер (справа) разведены еще места под 3 DC/DC конвертера на 3,6 и 9вольт выхода.

Фото готового устройства со всеми компонентами, включая аккумуляторы, контроллер, конверторы и дополнительный блок индикации и коммутации. Конструктор контроллера - Oscar den Uijl.